微反应器中硝酸氧化乙二醛制备乙醛酸

针对传统硝酸氧化乙二醛制备乙醛酸存在周期长、选择性低等问题,本文提出了一种在微反应器中高选择性合成乙醛酸的方法。先将35%硝酸与40%乙二醛按照一定摩尔比输送到T形微混合器,在微通道和降膜微反应器中反应一段时间,将得到的乙醛酸反应液再和硝酸以一定摩尔比输送到T形微混合器、微通道以及降膜微反应器中,循环几次后得到最终反应液。结果表明:当硝酸(流速0.13 mL/min)与乙二醛(流速0.24 mL/min)初次混合的摩尔比为0.42∶1、硝酸(流速0.02 mL/min)与收集的乙醛酸反应液(流速0.24 mL/min)混合反应6次、T形微混合器与微通道的温度和停留时间分别为60℃和2 min、降膜微反应器反应温度为90℃时,乙二醛转化率为82%,乙醛酸选择性可达95%。     

分离再结合型与内交叉指型微混合器微观混合性能实验研究

利用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系对分离再结合型和内交叉指型微混合器的微观混合性能进行了研究.实验考察了氢离子浓度、雷诺数和混合流体的体积流量比对微混合器离集指数的影响,并对实验结果进行了理论分析.研究结果表明,对所研究的两种微混合器,混合流体的体积流量比为1时,适宜的氢离子浓度范围均为0.02~0.04mol/L,微观混合效果最好.随着体积流量比的增加,离集指数增加,表明微观混合性能变差.雷诺数增大有利于微观混合效率的提高.在所研究的雷诺数范围内,相同雷诺数时分离再结合型微混合器的微观混合效果略好于内交叉指型微混合器.     

T-型微流控通道中微液滴形成机制的CFD模拟

采用计算流体力学(CFD)方法,对宽型微米级T-型微通道中微液滴形成机制进行了数值模拟。通过与已有文献实验结果的对比,证明了数值模拟的准确性;发现液滴在微通道中的形成过程可分为液滴形成和成长、液滴与分散相的脱离和液滴从通道壁的脱落3个阶段。首次系统分析了通道壁的润湿性对液滴形成的影响,发现当分散相在通道壁上的接触角小于90°时,才能形成微液滴;通道壁越疏分散相,微液滴越容易形成,并且从通道壁上脱离的时间也越短。通过分别改变连续相的黏度、流速以及两相间界面张力,研究了毛细准数Ca对微液滴的形成机制及液滴大小的影响。发现在T-型通道中能形成液滴的范围内,Ca越大,则形成的微液滴体积越小;当Ca大于0.067时,微液滴的直径与连续相Ca的倒数之间存在明显的线性关系。     

微通道反应器中1-甲氧基-2-丙醇的连续合成

在微通道反应器中,以甲醇和环氧丙烷为原料合成1-甲氧基-2-丙醇。考察尺度效应(管径和微反应器类型)对反应的影响并对反应条件(催化剂用量、反应物摩尔比、停留时间和反应温度)进行优化。结果表明:内径为0.5 mm、体积为10 mL的聚四氟乙烯毛细管及T形混合器能有效促进物料间混合;甲醇与环氧丙烷在微通道反应器中的最优反应条件为催化剂用量0.5%、甲醇与环氧丙烷摩尔比3∶1、120℃下反应7 min、压力2 MPa。在最优反应条件下,环氧丙烷转化率为99.4%,产率可高达99.1%。     

微通道反应器微观混合效率的实验研究

采用碘化物 碘酸盐体系作为平行竞争反应体系,利用化学探针法对Y型和T型微通道反应器的微观混合性能进行了研究。实验探讨了反应物浓度、体积流量、体积流量比等条件对微通道反应器微观混合效率的影响。结果表明,不同结构的微通道反应器有不同的H⁺浓度范围,Y型微通道为0.02～0.06mol/L;T型微通道为0.06～0.08mol/L。此外,反应物浓度的减小（尤其是关键组分H⁺浓度的减小）,体积流量的增大及体积流量比的减小均有利于微观混合效率的改善;小流量下,T型微通道的微观混合效率明显优于Y型,但当体积流量增大到一定值时,两种微通道反应器的微观混合性能基本相当。     

基于微液滴的ZnO纳米结构制备及荧光检测性能研究

基于液滴微反应器,通过水热法合成ZnO纳米结构.该芯片集成了多种功能单元,包括用于液滴生成的T形通道,液滴汇合的Y形通道,以及快速混合和观察纳米结构形成的S形通道.通过调节水相和油相的流量改变液滴的尺寸,研究微液滴中制备的纳米结构的形貌和尺寸,并利用硫氰酸荧光素标记的羊抗牛IgG研究其荧光检测性能.该工作表明,通过流体动力学耦合形成的微液滴可制备ZnO纳米结构,其颗粒形貌和尺寸随着液滴尺寸的变化而改变.加热温度为75℃,油相、氨水、锌盐溶液流量分别为600、30、90μL/h时制备的ZnO纳米结构具有最优的荧光检测性能.     

T形微流控芯片液滴成形与细胞封装的理论

连续相与离散相的速度取值是影响T形微流控芯片产生液滴的关键因素.细胞在T形微流通道的液滴包裹和细胞封装成为基因测序的研究热点,因此本文结合水平集与流体动力学方法,分析了液滴尺寸与红细胞封装的动态输运问题.在离散相和连续相通道宽度分别为50μm和80μm的T形微流控芯片内部,以水和正十二烷油为目标溶液进行计算仿真.计算结果表明水溶液初始速度0.012m/s,表面张力5mN/m,接触角165°时,毛细数C_a从0.008增大至0.1,会使液滴的尺寸降低,液滴成形频率加快.同时,黏滞力大于两相流表面张力会导致直径5μm红细胞的封装效率变低,使其紧贴通道墙壁作直线运动.     

一种棋盘形分布表面电势的电渗微混合器设计

提出了一种新型的电渗微混合器设计方案.在管道的顶部和底部采用棋盘形交替分布的表面电势,当管道内施加电场,这些交替分布的表面电势会在微管道内诱导复杂的波状电渗流动,折叠(fold)和拉伸(stretch)管道内的流体,使混合效果得到增强.数值模拟结果显示该混合器的混合效果得到了很大的增强.首先通过两个三维算例的比较,验证了数值模拟的可靠性;然后基于对流场结构的分析,定性地阐述了这种微混合器增强混合的机理;同时探讨了不同参数对这种微混合器性能的影响.     

甲醇/正辛醇/加氢催化生物柴油单液滴蒸发与微爆特性研究

为了研究理化特性强烈互补的甲醇/加氢催化生物柴油(HCB)混合燃料的单液滴蒸发微爆特性,本文针对纯加氢催化生物柴油M0以及两种不同甲醇体积比的三元混合燃油M15(15%甲醇、17%辛醇和68%HCB)和M25(25%甲醇、17%辛醇和58%HCB)在不同环境温度下进行了详细的试验研究。首先,通过微观几何形态和热重试验对混合燃油的理化属性进行了分析。然后,在一个恒温加热炉中采用挂滴法结合高速显微成像技术,获得了液滴在蒸发过程中的形态、平方直径和气泡比等蒸发特性。研究得出:随着甲醇含量增加,混合燃油中分散相液滴粒径增大、数目增多,蒸发速率加快;随着甲醇比例的增加,混合燃油液滴内部出现更加剧烈的醇相气泡膨胀并发生微爆现象,且微爆后喷射出的子液滴粒径大大提高,显著缩短了母液滴的寿命;随着环境温度的增加,微爆频率增加,更显著地加快了液滴的蒸发速率。本文结果将对甲醇/HCB混合燃料喷雾燃烧特性以及该混合燃料的发动机适用性研究提供理论参考。     

带挡板T型混合器性能的数值模拟

为了强化层流混合,设计并数值模拟了带挡板的二维T型混合器．挡板安装在混合器混合通道的进口．研究结果表面,当两股撞击来流由于温度不同而引起的动量不相等时,会明显改变混合通道的流动结构．由微混合器的几何结构及运行条件引起的不对称流动及回流区结构对提高流体混合效果有益．     

交流电场促进型微混合器设计

以微混合器为研究目标,基于电渗效应及对流扩散方程,研究了一种新的主动式交流电场促进型微流体混合器.首先,使用有限元方法建立混合器多物理场耦合数值模型,然后通过计算分析了待混合流体附加交流电场时的混合效率,最后通过分析仿真结果,提高了经过外加电场的流体混合效率.     

撞击液滴形成的液膜边缘特性

以旋风分离器内液滴撞击筒壁为研究背景,探讨了撞击形成的液膜边缘特性,考察了韦伯数(We)、撞击速度、初始液滴直径对液膜边缘形成的指形液滴和卫星液滴的影响.结果发现:不同We数下,最大液膜直径形成的指形液滴体积分布集中在0.2～0.6,近似于高斯分布;随着We数的增加,大体积卫星液滴出现的几率也随之增大;且卫星液滴的体积随着初始液滴直径和初始撞击速度的增大而增大;另外,在同一铺展过程中,边缘液滴、指形液滴和卫星液滴三者的数量呈依次递减的关系.     

被动式旋流微混合器的实验研究

目的:设计和制作一种被动式旋流混合器,为药品分析和生物制剂提供新选择.方法:从层流扩散混合机理出发,设计利用流体自身旋转提高混合效益的被动式旋流微混合器.提出了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋流式微混合器的一种简易制作方法,并从理论上分析了在超纯水环境中紧固方法实现微混合器基片和盖板之间封合的可行性.结果:采用体试显微镜和表面轮廓仪对制作的旋流式微混合器形貌、混合腔深度及加工表面粗糙度进行了表征.结论:在一定尺度范围内随混合腔深度的增加,混合器混合性能得到改善,微混合器可以作为生物制剂和药品分析的新选择.     

T-型微混合器的优化与仿真

设计了一种内置周期性挡板T-型微混合器,并采用ANSYS软件对其进行建模与仿真.主要针对不同挡板排数、高度、间距、角度、宽度、混合单元数和不同雷洛数对微混合器出口处温度的影响进行了对比分析,并采用田口分析方法,减少试验次数,根据信噪比大小找寻最优混合器结构.仿真结果表明:对于混合效率的影响,W_3(挡板高度)W_1(挡板宽度)W_2(相邻挡板水平距离)θ(挡板角度),双排正向双排反向单排无挡板;对压降的影响,W_3(挡板高度)θ(挡板角度)W_1(挡板宽度)W_2(相邻挡板水平距离),双排正向双排反向单排无挡板;因此选定W_1=60μm; W_2=500μm; W_3=100μm;θ=45°,挡板排数为双排正向,混合单元数4为最优设计参数.该结构在雷洛数达到150时,达到完全混合.     

纯麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性研究

为了探明麻疯树生物柴油(JME)燃料的蒸发过程,通过碱性酯交换反应制备了JME,并采用热电偶挂滴技术研究了在673 K和873 K的环境温度下JME单液滴的膨化和蒸发特性,分析了环境温度对JME液滴蒸发过程的影响。结果表明,JME液滴的蒸发过程分为瞬时加热阶段、波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段;在673 K和873 K下JME液滴的蒸发特性不同,673 K下液滴的蒸发只存在膨胀过程,没有发生微爆,液滴寿命较长,而873 K下液滴出现了微爆现象,液滴寿命较短;环境温度的升高可以提高JME液滴的蒸发速率,这是因为JME中挥发性成分较多,其挥发后形成气泡,在高温下液滴发生膨化和微爆,这样可以更好地实现空气-燃料混合,提高柴油机的燃烧效率。     

车用尿素SCR系统的数值模拟

采用计算流体力学和化学反应动力学相结合的方法,建立了某型号车用柴油机Urea-SCR排气后处理系统的数值模型,运用FIRE软件对某Urea-SCR催化器系统内3种典型工况下的尿素液滴的分布特性和内部流动特征进行了研究,并重点分析了空速和NO_2体积分数这2个因素对NO_x转化效率的影响.结果表明:NO_x转化效率随空速的增大而降低,当空速大于35 000 h~(-1)时,转化效率低于25%;NO_x转化效率随着V(NO2)/V(NO_x)比值的增加先增大后减小,当控制V(NO_2)/V(NO_x)的比值在0.5左右时,A25和B50工况下的NO_x转化效率最大值分别为50%和59%.     

交流电润湿作用下液滴的振荡行为特性

摘要：
实验研究了不同交流电频率下共面电极电润湿芯片上液滴的振荡行为特性.结果表明,在某些特定的输入频率下液滴出现共振,共振模态称为Pn（n=2,4,…）,且实验获得的共振频率值与线性理论预测值吻合良好.在共振模态Pn下,液滴振荡对称,表面呈现n/2个波峰.在相邻共振模态间存在某个临界频率,此时液滴振荡对称,但很微弱,且接触线宽度和液滴高度的振荡相位关系发生转变.小于此临界频率时,液滴接触线延展至最大时呈液瓣状,且液瓣的位置通过液滴的收缩和延展在水平面内周期性交替,液瓣数目随着相邻共振模态阶数n的升高而增加.大于此临界频率时,液滴振荡左右不对称,具体表现为液滴表面波的传动.预期这些液滴的非对称振荡会产生更为混乱的内部流动,从而增强微流控液滴混合器的混合效率.
     

微流控芯片通道壁面润湿性对微滴生成的影响

液滴微流控中芯片微通道的壁面润湿性是决定微滴生成的重要因素之一。为研究环烯烃共聚物芯片微通道表面润湿性对通道内微滴生成以及流体流动行为的影响,利用流体体积(volume of fluid, VOF)模型对聚焦流微通道中水和氟油两相流动行为进行数值模拟,并制备了接触角为30°、90°、120°梯度下的芯片微通道壁面开展实验研究,模拟与实验吻合良好。结果表明:在固定物性和结构参数下,壁面润湿性越弱,油包水微滴越容易形成,壁面的减阻特性随之增强,并且壁面的减阻特性导致90°比120°时微滴的生成频率低29.3%,直径增大8.3%;随着润湿性的增强,水相相对于氟油相的界面由凸变凹,30°时芯片生成微滴由油包水变成水包油;随着连续相毛细数(Ca)的升高,壁面润湿性对微滴生成的影响减小。     

一种新型的数字化微粉体混合器

利用压电陶瓷驱动器产生的脉冲惯性力来驱动和扰动微流体,实现了粉体流的均匀离散和微喷射,具有数字可控性.设计了一种粉体微混合器,该微混合器将玻璃微管道拉制仪拉制的三根微管道组合起来,形成含有两个进口与一个出口的微流道,无需复杂的玻璃微加工技术及键合、芯片钻孔等工艺.工作时通过数字化控制每一根进料微管道内的粉体喷射至混合腔内,实现粉体的微混合,最终生成的混合物由微混合器出口喷射而出.进行了300目银粉和280目刚玉粉的混合实验,证明该混合器可以用于粉体的微混合.     

V形肋通道内蒸汽冷却的传热及流动特性

在雷诺数处于(6.0~17.7)×103的条件下,利用红外热像仪测量了蒸汽冷却、不同角度V形肋通道换热表面的局部努赛尔数分布,利用计算流体动力学软件对其进行了数值模拟,分析了不同角度V形肋通道内蒸汽的传热特性及压力损失,并与相近工况下的空气冷却结果进行对比.结果表明:采用V形肋通道可以有效提高通道的强化换热特性;随着V形肋角度的减小,冷却性能不断提高,45°的V形肋通道的换热性能最佳;V形肋可使换热通道内部流体形成二次流,通道核心区的低温流体随之补充,使得通道中间靠近换热面的热边界层减薄;在相同雷诺数的条件下,蒸汽冷却的传热性能明显高于空气冷却,但两者的压力损失十分接近.