微通道中流体特性模型之混合强化
布置错位通道的微混合器内流体热混合特性
摘要 ： 基 于 常规平 面微 混合 器 内流 体 混合 特 性 的研 究 ， 对 布 置错 位 通 道 的微 混合 器进 行 了
三 维数值 模拟 ， 分 析 了指定 Ｒ ｅ ｙ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ 数 范 围 内微 通道 内流体 的 热混 合特 性 。计 算模 型 采 用有 限
体 积 法 离散 、 Ｓ Ｉ ＭＰ Ｌ Ｅ Ｃ算 法进 行层 流计 算 。结果表 明 ， 温度在 指 定 范 围 变化 时 ， 其 对混 合 性 能的
拟， 分析微混合器中冷热流体的热混合特性并通过改变冷热流体的流量 比研究其对热混合特性 的影响。
Ｘ ｕ ｅ ｔ ａ ｌ 通 过外 加 电压加 热 流体 ， 研 究矩 形微 通道 内热 量混 沌混 合情 况 。 由微混 合 的应用 前 景可知 ， 微 通道 内 流体 热 混合 特 性 及传 热 现 象 的研究 至关 重 要 ， 更 多 的研 究 工 作
解， 利用 Ｓ Ｉ Ｍ Ｐ Ｌ Ｅ Ｃ算法处理压力与速度耦合项 ， 空间离散采用二阶迎风格式 。在数值模型过程中， 动量方
程、 连 续性方 程 的计算 迭代 精度 设置 为 １ ０～。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ２— ２ １
作者简 介 ： 张伟
男
１ ９ ５ ５年出生
高级工程师
８ ６
石家庄 铁道 大 学学报 （ 自然科 学版 ）
第２ ６卷
通道 结构微 混合 器混合 性能 的稳定 。
在不 同温差 下 ， 微 混 合 器 的 出 口基本 已经 达 到 了 温度 的 均匀分 布 ； 为 了定 量分析 微混合 器 内部温 度 场 的具体 分 布 ， 本
文对不同温差下温度场分布加以说明： 在微混合器入口处， 两氲
内置阻块型微混合器内流体混合强化的数值模拟
（ 浙江大学 化学工程与生物工程学系 化学工程联合 国家重点实验室 ，浙江 杭 州 方法对 ３种内置阻块波 浪形微混合器进行模拟研究 ， 考察 内置 阻块尺寸 、 排列方式及 阻块
数量对 流体混合 的强化效果 。由速度场和物质输运模型结合进行流体的混合模拟 ， 得到流体混 合快照 图和 流体 混
Ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｕ ｄ ｍ ｉ ｉ ｅ ｎ ｏ ｃ ｍ ｅ ｔ ｉ ｍ ｒ ｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｆ ｆ ｉ ｘ ｎｇ ｒ ｉ ｆ ｒ ｅ ｎ ｎ ｌ ｍ ｉ ｒ ． ｉ ｅ ｓ ｗｉｈ ｂ ｒ ｉ ｒ ｍ ｂ ｄ ｅ ｃ ｏ ｍ ｘ ｒ ｔ ａ ｒｅ ｓ ｅ ｅ ｄ ｄ
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粘弹性流体微通道内弹性不稳定流动及其强化混合应用研究
硕士学位论文粘弹性流体微通道内弹性不稳定流动及其强化混合应用研究STUDY ON THE ELASTIC UNSTABLE FLOW OF VISCOELASTIC FLUID IN MICROCHANNEL AND MIXING ENHANCEMENT黎永耀哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O373 学校代码：10213 国际图书分类号：530 密级：公开工学硕士学位论文粘弹性流体微通道内弹性不稳定流动及其强化混合应用研究硕士研究生：黎永耀导师：蔡伟华副教授申请学位：工学硕士学科：流体机械及工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index:：O373UDC：530Dissertation for the Master Degree in EngineeringSTUDY ON THE ELASTIC UNSTABLE FLOW OF VISCOELASTIC FLUID IN MICROCHANNEL AND MIXING ENHANCEMENTCandidate： Li YongyaoSupervisor： Associate Prof. Cai WeihuaAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality： Fluid Machinery and Engineering Affiliation： School of Energy Science andEngineeringDate of Defence： June, 2018Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要粘弹性流体是一种典型的非牛顿流体，相较于普通牛顿流体，除了粘性外，其独特地具备弹性效应。
微流控通道中液滴运动与混合研究
微流控通道中液滴运动与混合研究微流控通道技术是一种利用微米尺度管道、巨大的比表面积和高表面能量的现象来实现流体控制和反应的方法。
其中，微流控液滴技术是一种用于分析、检测、合成和生物学研究的最具潜力的技术之一。
微流控液滴在控制液体体积、分离化学物质和混合化学物质等方面具有重要的应用价值。
近年来，微流控液滴在分析化学、生物技术、纳米材料制备和医学研究等领域受到了广泛的关注。
微流控液滴的形成和运动机制是一种非常复杂的物理过程，涉及到流体动力学、物质转移和表面现象等多个领域。
在微流控液滴形成过程中，通过控制微管道内的流速、流动方向和油水相间的黏度差异，可以形成大小相同的液滴。
在液滴运动过程中，微管道壁面会产生表面张力和壁面摩擦力，通过收集、处理和分析运动过程中产生的各种信号，可以研究微流控液滴运动和混合规律。
微流控液滴的混合是一种重要的研究领域，由于微流控通道内的流体速度非常小，因此对混合过程的控制和理解有很高的需求，相关研究有助于优化微流控通道的设计，提高液滴混合效率。
近年来，研究者们通过改变微管道内液滴的尺寸、形状和间距，以及改变流动速度和流动方向等方法，来探究微流控液滴的混合规律。
同时，也有关于微流控液滴混合机理理论数学模型的研究。
微流控液滴的混合研究涉及到多个领域，例如电化学研究中液滴电化学行为与混合规律的研究、生物学及环境科学中液滴/流体间分子传递与反应的研究等。
在生物医学领域，微流控液滴的混合和分离也有着广泛应用。
例如，可以通过微流控通道中液滴的混合和分离对药物分子进行分析和筛选，为制药工业的开发和研究提供思路和方法。
此外，还可以通过微流控液滴的混合研究来检测血液中的病原菌、DNA/RNA等生物标记物，为医学检测和诊疗提供支持。
目前，微流控液滴的研究仍处于快速发展的阶段，微流控液滴相关技术和理论仍有待深入研究和应用。
未来随着新技术的不断涌现和研究方法的不断创新，微流控液滴技术和混合研究的应用与发展前景将更加广阔和具有挑战性。
t形微通道结构中的流体混合规律
t形微通道结构中的流体混合规律T形微通道结构是一种常见的微流体混合器，用于将两种或多种不同的流体混合在一起。
在这种结构中，流体通过两个进口进入T形通道，在通道内发生混合作用，然后通过一个出口离开。
T形微通道结构的设计和流体混合规律对于高效的混合非常关键。
在T形微通道结构中，混合的规律主要由以下几个方面影响：1.流体动力学效应：在微观尺度下，流体流动呈现出与宏观流体不同的特性。
流体的惯性效应较小，粘性效应和表面张力效应较大。
这导致流体在微通道内的流动具有较高的黏度和较小的湍流程度。
这些流体动力学效应对混合过程产生了重要影响。
2.对流混合：在T形微通道结构中，两种或多种流体在进入通道时，在流体动力学效应的影响下快速混合。
由于流体的黏性，流体之间难以快速分散和扩散。
因此，在相对较短的通道内，混合主要通过对流传质进行。
流体在通道中快速混合，形成用于混合的边界层，然后这些混合的边界层进一步混合形成更大的混合区域。
3.扩散混合：在对流混合之后，混合结果可能不均匀，存在一些区域的浓度差异。
这时，扩散效应起到重要作用，将浓度差异减小。
扩散混合是在流体分子之间的随机运动下进行的。
由于分子的热运动，流体分子会自发地从浓度较高的区域向浓度较低的区域扩散，直至达到更为均匀的浓度分布。
4.体积膨胀效应：在T形微通道结构中，由于进入通道的流体体积不同，流动速度也不同。
在进入通道的交叉口处，流体会发生相对的挤压和膨胀。
这种体积膨胀效应会导致流体流动发生转向和扩散，从而促进混合。
综上所述，T形微通道结构中的流体混合规律主要包括对流混合、扩散混合和体积膨胀效应。
这些效应相互作用，共同促进流体的混合，使得流体在较短的通道内实现较高程度的混合。
流体混合规律对于设计高效的微流体混合器非常重要，可以通过优化通道的尺寸、形状和入口条件等方式来提高混合效果。
微通道内低马赫数气体的流动与换热特性理论研究
微通道内低马赫数气体的流动与换热特性理论研究王子豪;梁国柱【期刊名称】《推进技术》【年(卷),期】2022(43)5【摘要】微通道换热器由于换热系数高、质量小等优点,在微电子系统与航空航天等领域具有极大的应用价值,但截至目前人们对微通道内流体的流动与换热特性仍知之甚少。
本文针对平行平板式微通道,在连续介质区、低马赫数以及粘性热可忽略的情形下,采用分离变量法导出并简化了均匀热流边界条件下变物性气体的二维层流流动与换热过程的控制方程,进而计算得到了气体速度、压力、温度在通道内的分布规律,上述计算结果与对原始控制方程进行高精度直接数值求解的结果之间具有较好的一致性。
研究结果表明:当马赫数小于0.3时,微通道的尺寸效应使得任一横截面上变物性气体的流动和换热参数分布与常物性下的分布存在相似性,气体密度沿通道长度方向的变化不对摩擦系数和努塞尔数的沿程分布造成显著影响;在给定通道结构和进出口参数的情况下,通道内气体密度的减小和流速的增大不能提高对流换热系数,对流换热系数可通过经典理论予以计算;相比常规尺寸通道,微通道内气体的加速过程更加显著,粘性切应力对加速过程起主导作用,并随马赫数的增大而增大;摩擦损失是气体在微通道内损失的主要部分。
相关工作可为微通道换热器设计与高马赫数下流动特征的研究提供参考。
【总页数】12页(P216-227)【作者】王子豪;梁国柱【作者单位】北京航空航天大学宇航学院【正文语种】中文【中图分类】V432【相关文献】1.稀薄性对微通道气体流动换热特性影响数值分析磁2.等壁温加热微通道内气体流动换热特性的直接蒙特卡罗模拟3.矩形微通道内滑移区气体流动换热的数值模拟4.微小通道内低Reynolds数液-液两相流动与换热特性实验研究5.压力边界条件下微通道内气体流动换热特性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
搅拌槽反应器内宏观和微观混合及过程强化
关键词 ：搅拌槽反应器 宏观混合 微观混合 混合时间 实验 数值模 拟
中图分 类号 ：ＴＱ ０ ２ ７ 文献标识码：Ａ
搅 拌槽 反应器 是石 油 、化工 、制药 、冶金 等领 域最 常用 的反应 器 ，搅拌 桨 的复杂构 型和 旋转运 动
第２ ９卷 第 ３期
２ ０ １ ３ 年６ 月
化 学 反 应 工 程 与 工 艺
Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｒｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
、 ， ｏ ｌ ２ ９ ． Ｎｏ ３
导致搅 拌槽 内产 生 时空结构 极为 复杂 的流体 流动及 混合 过程 。尤其对 于工 业 中普 遍涉 及 的氧 化 、硝 化
等 快 反应体 系 ，多相物料 的混 合状 况直接 影 响产物 的收率 及产 品质量 等 ，对 搅拌槽 反应 器 内的多相 混
合过程 进行 研 究是反应 器设 计和 工程放 大 的重要 基础 。根 据研 究尺度 的不 同，通 常将混 合过 程分 为宏
观 混合 时 间 。经过 逾半 个多 世纪 的发展 ， 目前 混合 时 问的实验 测量 方法 非常之 多 Ｊ ，如温差 法 、光学
收 稿 日期：２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． １ ２ ； 修订 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ — ２ ０ 。 作 者简 介：段 晓 ￣（ １ ９ ８ ９ －） ，女 ，博 士研 究生 ；杨 超 （ １ ９ ７ １ 一） ，男 ，研究员 ，通 讯联 系人 。Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｃ ｈ ａ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ ＠ｈ ｏ ｍ ｅ ． ｉ ｐ ｅ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ 。
微通道反应器
微通道反应器报告摘要本文以微通道反应器（以下简称微反应器）为研究对象，在参阅了大量文献的基础上，对微反应器的概念、结构、分类及优缺点进行了概述。
重点分析了微反应器内流体力学特性以及微观混合特性，着重讨论了反应器内的流型理论与计算微观混合的数学模型。
最后针对微反应器在实际中的应用，简述其适合的反应体系，并分析了微反应器的典型工业应用实例。
以此来帮助我们更进一步得了解微反应器。
关键字：微反应器；流体力学；混合特性ABSTRACTThis article takes microreactor as the target of our study, and summarizes the concept, structure, classification, advantages and disadvantages of microreactor based on a large number of references. It focuses on the hydrodynamic characteristics and microscopic mixing characteristics of microreactor, and focuses on the mathematical model of the flow pattern inside the reactor theory and computation micromixing. Finally consider of the application of microreactor in practice, this article outlines suitable reactor system of microreactor, and analyzes the typical examples of industrial applications of microreactor. In order to help us get further understand on microreactor.Key words：Microreactor, Hydromechanics, Characteristics of mixing目录前言 (1)第1章微反应器概述 (3)第1.1节微反应器的概念 (3)第1.2节微反应器的起源与演变 (4)第1.3节微反应器的结构 (5)第1.4节微反应器的分类 (6)第1.5节微反应器的特点 (7)1.5.1 微反应器的优点 (7)1.5.2 微反应器的缺点 (9)第2章微反应器流体力学与混合特性 (11)第2.1节微反应器内流体力学研究 (11)2.1.1 两相流流型 (11)2.1.2 两相流的传质 (18)2.1.3 两相流的数值模拟 (19)第2.2节微反应器的混合特性 (22)2.2.1 数学模型方程 (22)2.2.2 混合效率的计算 (24)第3章微反应器的应用 (29)第3.1节微反应器适合的反应体系 (29)第3.2节微反应器的工业应用实例 (31)3.2.1 微反应系统合成生物柴油 (31)3.2.2 微反应技术在有机合成中的应用 (32)结语 (35)参考文献 (37)致谢 (39)前言近年来，纳米材料成为高科技发展的重点，已经成为国际竞相争夺的一个科技战略制高点，也是我国高科技发展的重点[1]。
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微通道中流体特性模型之混合强化
尤琳，山东豪迈化工技术有限公司
摘 要：本文以微通道内的混合为例，辅以有限元软件进行流场模拟，分析通过改善微通道结构带来的混合强化效果。
微通道内设置阻块或者改变微通道结构形式可以改变混合效果，通过优化微通道结构，可以达到混合强化的效果。
引言
微化工系统是一个比较宽泛的概念，包括微换热、微混合、微分离、微分析以及微反应等多种系统，其共同特点是“三传一反”的过程都发生在微米甚至纳米级的空间内。
按照机械习惯对尺度上的划分：1～10mm为微小级（mini），1um～1mm为微米级（micro），1nm～1um为纳米级（nano）。
从化学工程的角度，微化工系统的特征尺度应为“三传一反”过程发生明显变化的临界尺度，即宏观条件下的传递和反应过程具有明显区别的微观尺度。
但微化工系统开展研究的时间还较短，不同研究者对于微化工设备定义的目标尺度，将微化工系统定义为：利用微加工技术制造，特征尺度在1um～1mm之间，用于换热、混合、分离、分析、化学反应等过程的三维结构元件和高度集成系统。
通常而言，微化工技术包括微反应器、微混合器、微阀、微泵、微热交换器等一系列微系统，微混合器是其中重要的一方面。
微混合器大多是通过微通道结构实现的。
与常规尺度下的混合器比较，由于微通道小而精密的结构特征，具有较高的传热、传质、混合和反应速率，并且安全、占地面积小、甚至是便于携带，目前越来越多的学者致力于微通道混合器的研究与应用工作。
微混合器大多数并不是以单器件存在，而是集成于微流控系统中，因此理想的微混合器应具有如下特点：（1）混合效率高，停留时间短，能耗低；（2）设备结构简单，无放大效应，易于集成；（3）操作条件易于控制，化学反应、传质及传热性能好；（4）设备体积小，内在安全性能好。
微混合器可以用作生物化学分析仪器的微传感器以及用于生物芯片和微量化学分析与检测系统中的不同检体、不同试剂之间的混合；还用于药物的快速混合和微量注射；在第二代能源系统中的微燃烧器和微燃气透平等方面，微混合器也有广阔的应用前景；还可以用于传统的化学工程以及生物化学的反应工程，替代现有的反应器，从而提高反应速度，减少设备体积和降低成本；在lab-on-a-chip平台中对于复杂的化学反应，均匀而快速的混合是必要的；此外，微混合
器的研究也是微尺度下理解传递现象的基础。
图1微通道结构举例
1微混合器介绍
早期微流体混合的研究主要是基于单相流操作条件下进行的。
单相流操作条件下，主要通过对微混合器的结构做特定设计，或者通过加入外在能量促使微混合器内流体的混合。
根据有无外在的能量或动力，微混合器分为被动微混合器（passive micro-mixer）和主动微混合器（active micro-mixer）。
1.1静态微混合器
被动微混合器又称为静态混合器（static micro-mixer），是通过流体的被动流动实现混合的，在为混合器系统内除了驱动流体流动的动力，不需要外加的动力，混合器内不含有可移动部件，混合过程完全依赖对流和扩散作用。
1.2主动微混合器
主动微混合器利用外来作用力产生的扰动作用促进混合，因此可以依据外加
作用力的类型进行分类，包括压力扰动式、电压式、介电泳式、动电式、磁致液动力式、超声波式、热致式等。
由于主动式混合器需要驱动源、外加扰动装置以及相应的集成部件，所以主动式混合器的结构通常都非常复杂，且需要复杂的加工过程。
同时，将主动混合器集成于微流控系统中也很复杂且昂贵。
被动式混合器处理驱动流体的装置外，不需要其他的外加动力，因此被动混合器相对主动混合器，更为稳定，易于集成。
本文主要研究静态混合器。
2微通道结构的传质特性
微通道结构具有高效快速传质的特点。
由于扩散路径的减小，微化工系统具有优良的传质性能和流动区域内均一的浓度分布。
对整个系统而言，反应物浓度的精确控制是实现高选择性化学反应和避免有害反应操作的前提条件。
此外，通过快读混合克服传质阻力，可以设法得到受传质控制的化学反应的本征动力学方程，并且可以得到较宏观设备更高的收率和选择性。
然而，对于大多数液相反应，尽管微通道的特征尺度达到100um甚至更小，快速混合仍然是很困难的，这是由于液相系统中较小的扩散系数造成的。
3液体流动方程
对于不可压缩流体，Navier-Stokes方程可简化为：
当微通道中的流体粘度较大或以低速流动时，Reynolds数较小，流体近似为平推流，上式可进一步简化为：
Pfahler等学者测定了深度从0.5~50um的微通道内的压降，并指出其随流体粘度减小而下降。
Peng等学者研究了当量直径在133~367um矩形微通道内的液体流动，他们发现，与宏观设备相比，微通道内的流体在较低Reynolds数下即发生层流—湍流的流型转变；而且随着微通道截面形状的变化，摩擦系数也会随之发生变化。
4应用有限元软件模拟结构变化对微通道混合效果的影响
对微混合器结构进行特定设计及在微通道设置阻块是增强微混合器中流体混合效果的有效方式。
本位对分别对设置阻块和对设计特定结构两种强化混合效果的方式进行举例。
对于设置阻块的强化方式，以在T型混合通道中设置V形缺口举例，其中V形缺口分两种，一种V形缺口高度方向的尺寸未超过通道宽度的一半，另一种V形缺口高度方向的尺寸超过通道宽度的一半。
对于通过特殊设计结构形式以产生强化混合效果的方式，特别设计了S性和矩形两种结构形式，以说明结构形式的改变对微通道流体混合效果的影响。
设流质为流体，可以看成是不可压缩流体，并且只考虑微通道在压力作用下的流动，因此忽略体积力。
采用流体力学软件包Fluent模拟流体混合过程，网格划分示意图如图2。
设置相关物性参数和边界条件等输入条件，得到下图3和图
4的模拟结果。
图2网格划分示意图
图3设置阻块对混合效果的影响
图4改变结构形式对混合效果的影响
通过模拟结果可以看出，在微通道上设置阻块可以有效改变微通道内液体的混合效果，而且，阻块的尺寸变化也会引起混合效果强化程度的不同。
阻块的设置是微通道混合器内流场受到周期性扰动，产生较大径向速度，进而使流体侧向线拉伸。
有研究表明，流体径向线拉伸与混合器通道长度呈指数增长关系，可在通道内引发混沌流。
微混合器通道内阻块的数量、大小、排列的改变也可以增大混沌流，对流体的混合程度均有一定的强化作用。
除了设置阻块外，微通道结构形式的特殊设计也会带来好的液体强化效果。
微通道内，由于其拐弯处使液滴内对称的内循环流动转变为不对称，从而混合组分之间产生流线交叉，也可以促进
流体混合。
有分析液滴流过弯通道拐弯处时混合组分界面变化的研究表明：在U 形弯道的180°半圆处和矩形弯道的90°拐弯处，流体界面将产生拉伸和折叠作用，并伴随拐弯处出现周期性的拉伸和折叠，出现混沌对流现象，液滴内流体在混沌对流作用下，将达到完全混合，是强化混合过程的根本原因。
微通道混合器的流体模拟以及相关研究表明，可以通过设置阻块、设置合理的通道结构形式以加强混合效果。
在实际问题中，还需要结合具体的流动介质，选择合适的微通道混合形式或者设置合理的阻块以获得更好的强化混合效果。
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