天津大学丨微通道内三角形障碍物对气液传质的强化及机理分析

近年来，微化工技术广泛应用于医药、材料、能源、环境等领域，具有良好的发展前景和应用价值。气液两相流动与传质作为微反应器设计和优化的基础，成为当前的研究热点。微反应器中流体流动的雷诺数较低，传质主要依靠分子扩散，但对流或湍流下的传质比分子扩散更有效。目前，增强气液两相间传质的主要途径是诱导湍流，包括主动强化和被动强化。主动强化需要能量驱动装置，而被动强化通过改变通道结构达到强化目的。相比之下，被动强化手段可以避免引入外部场源造成的系统不稳定。大量研究表明，在微通道中嵌入障碍物是一种有效的被动强化手段。本文针对微通道内嵌入不同的三角形障碍物增强气液两相传质的特性及机理进行了研究。

本文通过在直通道内交错设置三角形挡板以提高微通道内传质性能，考察了障碍物结构（宽度、间距、形状）和气液两相流量对流型、压力降、体积传质系数、增强因子和能效的影响。Micro-PIV的结果表明，由于边界层与壁面分离，障碍物结构后方会形成漩涡。流体在涡区的强烈碰撞和混合，导致流动边界层变薄，促进了气液两相间的传质。对称构型以及适当增加障碍物宽度，减小障碍物间距有利于两相间传质强化。但障碍物微通道在强化传质的同时也增加了通道内的压降。随着气相流量的增加，能耗相应增加，相同的能耗下对称三角形障碍物通道（IT微通道）的增强效果最好。对称三角形障碍物通道内的增强因子最高可达2.1，且压降增幅在22%以内。

液体流过障碍物结构后，通道渐宽，液体流动速度减慢。在此之后的某一时刻，边界层内液体的动能全部耗尽，流速降至零，形成驻点。此时，靠近壁面的液体在压力和惯性效应的作用下发生强烈的扰动，导致边界层与壁面分离，形成漩涡，如图1（a-d）所示。在该涡流区内，流体速度较小，流动方向较为紊乱，液相不断冲击壁面，导致边界层厚度降低。此外，障碍物结构加快了流体的流速，液相表面更新速率加快，液膜与液弹间混合增强，液膜不易饱和。同时，气泡受到三角形障碍物的挤压，表面变形，比表面积增大。这三方面共同促进了相间传质。湍动能强度的计算表明由于ET2具有最高的湍流强度和最大的高湍流强度区面积，因而传质效果最优（图2）。

图1  不同三角形障碍物下微通道内的速度场

图2  障碍物结构对传质的影响 

(a)体积传质系数 (b)增强因子

障碍物微通道强化传质同时也增加了通道内的压力降（图3），原因主要有四方面：障碍物结构本身带来的局部压力损失；流体与壁面的摩擦压力损失变大；边界层分离导致漩涡的形成，造成能量消耗、压力降升高；气泡流经障碍物时，经历挤压、变形、破裂，造成了压力降的增大。此外，在较低的气相流量下，ET1、ET2和IT的效率相当，RT的效率相对较低。随着气相流量的增加，能耗相应增加，相同的能耗下IT增强效果最好（图4）。IT增强因子最高可达2.1，且压力降增幅相对于直通道在22%以内。

图3  微通道内压降变化

(a) 障碍物构型的影响；(b) ET2通道内气液流量的影响

图4  液侧传质系数随能耗变化

马友光团队长期从事传质与分离工程、化工过程强化、微化工技术、多相流与传质等方向的理论和应用研究。针对微反应内气泡/液滴的生成、破裂及聚并行为进行了深入研究，探索了气泡/液滴行为的调控机制。此外对气-液两相间的传质机理进行了广泛研究，并建立了微观非线性传质模型。

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