微通道中液滴的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学（DPD）对三维微通道中的液滴动力学进行了研究．通过提高两种流体之间的保守力系数获得不互溶的两种流体,并分析了相应的Flory—Huggins模型中的X参数．DPD计算所获得的表面张力与Groot等给出的理论公式相符合．计算采用消息传递并行计算技术（MPI）,计算过程模拟了高分子液滴穿过突扩突缩通道时的形态变化．计算结果表明,不同尺寸的高分子液滴穿过微通道所需要的时间不同,随着液滴直径与通道高度比值的增加,所需时间单调上升,但上升的趋势逐渐减缓．     

基于液滴微流控芯片的单细胞分离

开发基于静电场力和集成微电极的微液滴操控技术以实现单细胞的分离.结合微流控技术的发展,设计并制作了以有机聚合物PDMS( polydinethylsiloxane)为材料的具有流聚焦结构的芯片,利用流聚焦结构的芯片,通过改变分散相和连续相的流速,制备包裹着悬浮癌细胞( HCT116)的海藻酸钠凝胶溶液微液滴,并对其包裹细胞数目进行统计分析,其中包裹单细胞的微液滴少于总液滴数的10％.受到液滴自带电现象的启发,通过集成微电极到微流控芯片中,利用电压脉冲产生静电场力,实现了单颗单细胞微液滴的电分离和富集.     

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.     

液滴微流控芯片合成单分散PEG水凝胶微球及其粒径调控

利用液滴微流控技术制备了单分散的微米级聚乙二醇(PEG)水凝胶微球。首先利用流动聚焦型微流控芯片产生单分散的水凝胶微液滴,然后经过紫外光原位引发聚合形成水凝胶微球,系统考察了PEG质量分数、表面活性剂加入量、连续相流速等影响因素,在优化的实验条件下得到了粒径为115μm、单分散性较好的PEG凝胶微球。     

模拟孔喉构型变径通道中微气泡流动特性研究

为了了解微泡沫驱中微气泡在多孔介质中的渗流特性,设计制作了一种集成T型通道和变径通道的微流控芯片,采用基于显微成像的微流控系统观察了液相分别为去离子水和0.02%吐温20水溶液时,微气泡在变径通道内的流动特性,并采用CFD方法分析了微气泡融合、变形过程中速度和压力变化情况。研究结果表明,以去离子水为液相时,随着气体压力和液相流速的变化,微气泡在流经变径通道时出现融合和不融合两种行为;以0.02%吐温20水溶液为液相时,微气泡在流经变径通道时会依次通过;微气泡在“喉—孔”处融合时,表面张力促使微气泡变形导致周围流体速度波动较大,形成“涡流”;融合后的气泡再次进入“喉道”时,“孔道”内压力增大。本研究有助于进一步认识微泡沫驱的渗流特性及驱油机理。     

基于格子玻尔兹曼方法的二维T型微通道内液滴生成

采用格子玻尔兹曼方法中的伪势模型,模拟了密度比近似相同且不互溶的两液相在T型微通道内产生不同形态的液滴,模拟结果与实验结果相吻合。分析了毛细数、两相流量比及两相的黏度比等因素对生成的液滴尺寸和间距的影响,模拟结果所得各种因素间的数值公式也与实验结果相差无几,连续相的毛细数和两相流量比对液滴的尺寸和间距的影响比较大,两相的黏度比对液滴的影响微小。     

纸基微流控芯片的构建及在亚硝酸盐检测中的应用

基于造纸过程中的表面施胶工艺,通过简单、高效的喷墨打印技术在纸张表面成功构建亲水性微流道.以纸张表面润湿性及液体在微流道内的扩散性为评价标准,研究了表面施胶剂配比、压光处理等因素对流体在微流道内的扩散行为的影响,研究结果表明:采用配比(m表面施胶淀粉/mAKD)为7∶3的表面施胶剂对纸张进行疏水改性,在压强为2 MPa...     

Y型组合式微通道多相流流动形态实验研究

微通道设备具有高效的传热、传质能力,有利于实现气液多相流的有效混合,从而提高工业应用生产效率。但对于工业应用中,形状不规则的微通道的气液两相流流动形态研究一直是微通道研究的难点。本文基于优化过的Y型组合式微通道结构,进行了复杂微通道内部全流场流动显示实验,实现了对微通道内部不同流量下的气液多相流流动形态的综合测量,获取了基于高速摄像的微通道内部气液两相流分布,对Y型组合式微通道内部流型进行判别,并对气液两相间流动规律进行了数值模拟,提取了沿流道方向的压力分布。研究以时均特征面积为指标评判了不同流型下的时均气液高效混合区域面积。结果表明,气液多相流流型会显著影响气液多相流混合剧烈程度,大大促进了气液两相流混合效果,增大了气液接触面积。     

微通道气体流动的格子-Boltzmann法模拟

格子-Boltzmann方法的迅速发展为计算流体力学提供了一种强有力的工具．结合“贴壁层”的理论对格子—Boltzmann方程在微槽道流动中的应用进行探索，对Kn数跨越速度滑移区和过渡区的若3个微通道中的气体流体进行了模拟，给出了通道内速度、压力、局部阻力系数的变化曲线，并和同条件下用不考虑滑移的计算结果和文献给出的理论结果进行了对比，结果表明和文献给出的理论结果吻合得很好．     

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。     

用CFD研究搅拌器的功率曲线

文中用计算流体力学的方法研究了搅拌器的功率曲线 ,对不同雷诺数范围分别进行了模拟。流动场的计算采用多重参考系法。在层流区 ,计算得到的功率曲线与文献数据趋于一致 ;在过渡流区域 ,选用不同的模型进行模拟 ,各种模型的计算结果相差不大 ;在湍流流区 ,计算得到的功率准数误差在工业许可范围内。     

CFD分析和模拟技术在某轻卡风道设计中的应用

汽车空调除霜性能对汽车驾驶和交通安全非常重要,文章用CFD方法对某轻卡驾驶室除霜风道除霜性能进行了分析,对其进行了风道出口的流量分配、出口段的速度场与压力场求解,得出了除霜风道各出风口的风量分配。根据CFD分析结果,对除霜风道进行了改进,最终得到了满足设计要求的除霜系统。     

喷旋管道式分解炉内燃烧、分解过程的CFD模拟

针对水泥分解炉内煤粉燃烧、生料颗粒分解过程共存的特点，提出了相应的计算模型与方法，以CFX4为基础。采用用户软件，二次开发出模拟该现象的工程计算软件，并以工业化中实际使用的5500t／d的喷旋管道分解炉为对象，计算分析了炉内的煤粉燃烧、生料分解率在空间上的变化规律。探讨了炉内的湍流速度场及高温火焰燃烧区域、空气组分、颗粒体积浓度等的空间分布特征，指出了进一步优化的方向。     

卧式搅拌槽内流体混合的实验与模拟研究

对卧式单轴格子桨搅拌槽中的流体混合过程进行了实验和模拟研究;采用碘和硫代硫酸钠褪色法实验考察了不同搅拌转速时的混合特性,由数码相机记录了混合过程的快照;采用计算流体力学方法对于混合时间进行两步法模拟,先计算稳态流场,然后在此稳态流场的基础上采用加入浓度标量的方法计算示踪剂扩散情况。混合过程的模拟结果与实验数据吻合良好。     

规整填料内鼓泡流动的二维CFD模拟

规整填料内鼓泡流动现象的研究对于开发新型气液传质与反应设备具有重要的指导作用。为此应用VOF（Volume of Fluid）多相流模型建立了描述规整填料内部鼓泡流动现象的二维模型,模型中考虑了影响气液两相流动的两个重要作用力：表面张力和气液相间作用力。模拟计算结果显示,气泡在上升过程中自身振荡,随着入口气速的增大,气泡形变程度增大,并且伴有气泡聚并现象发生。气泡上升过程中,气泡周围液体的速度增大,并且形成大小不同的旋涡结构,单点速度值的波动程度随气体入口速度的增大而增大。     

基于CFD的油品泄漏扩散过程的数值模拟

构建油品泄漏扩散过程的三维计算流体力学（CFD）模型,研究地面粗糙度、泄漏口直径、泄漏速度和油品物性等因素对液池面积的影响;并根据液池扩展理论结合模拟结果拟合得到计算液池面积的经验关联式,可用来预估不同泄漏情况下液池的面积。结果表明液池面积随时间呈线性增加,随地面粗糙高度增大而减小,随泄漏速度、泄漏口直径增大而增大;地面粗糙常数、油品的密度和黏度对液池面积的影响较小。该研究结果可望为确定泄漏事故的影响范围及采取相应的防护措施提供理论基础和技术指导。     

规整填料塔内气相流动的计算流体力学模拟

通过引入表征体元的概念，采用体积平均的方法，使规整填料塔内的非连续介质连续化，建立了规整填料塔内气相单相流的体积平均连续性方程、运动方程和质量传递方程；用PHOENICS3．3对规整填料塔内气相单相流的速度分布和质量分数分布进行了模拟，给出了xz剖面的压力分布图、xz和xy剖面的速度分布图和不同时刻xz剖面的示踪剂浓度分布图；模拟结果能反映规整填料内气体的流动情况．结果表明：在压力小于2．0MP。时，气相轴向返混系数基本不受压力的影响，且随着有效气速的增加，其明显增加；轴向返混系数的模拟值与实验值的相对偏差小于40％．     

搅拌式反应器内固-液两相悬浮特性的CFD模拟

制备血液净化材料蛋白A免疫吸附柱过程中,搅拌式生物反应器的优化设计与放大技术是工业开发的重要环节.该文采用标准κ蛳ε湍流模型、多重参考系法,模拟搅拌式反应器内琼脂糖凝胶溶液加入固体催化剂后,形成的固蛳液两相体系的混合和悬浮特性.分别对DT、PBTD45、PBTU45搅拌桨的固相悬浮性能进行了研究,预测了完全离底悬浮的临界转速,并与Zwietering公式进行了比较.通过数值模拟,为反应器的优化设计提供了参考依据.     

旋转填充床气相流场模拟与验证

为探索旋转填充床内的气相流场分布,本文对旋转床里的填料进行简化,建立了旋转床的二维物理模型。采用Fluent软件的标准k-ε模型模拟床内的气相流场,计算气体压降,并分析了气体在径向分布情况。结果表明：旋转填充床的压降主要集中在填料层内,压降随气体流量、转速的增加而增加,与实验数据相比,最大平均误差约22.6%;对于不同入口方式和内构件的旋转床,压降大小顺序为：切向入口>径向加挡板>径向加开孔挡板>径向入口,其中径向加挡板的旋转床内气体分布的均匀性较差。     

不同动量比对T型管冷热流体掺混及管道热疲劳的影响

为探究主支管流体不同动量比对T型管道内冷热流体掺混过程及管道热疲劳程度的影响,通过对T型管内不同主支管流体动量比工况下冷热流体的掺混过程进行大涡模拟（LES）,计算得到管道壁面及管道内流体的温度波动情况,并使用同一套T型管网格模型进行了流固耦合计算,得到了动量比对T型管道热应力及热疲劳寿命的影响规律。计算结果表明,当动量比变化使得T型管内流体的搅混流型发生变化时,动量比对管道热疲劳的影响明显,其中,搅混流型为偏转流时,管道的热疲劳现象相较于搅混流型为壁面流的热疲劳现象得到明显的改善,预测热疲劳寿命从8.81×10^-4年提高到5.40×10¹⁵年。因此,随着主支管流体动量比的降低,流体搅混流型从壁面流转变为偏转流,管道的热疲劳寿命得到明显提高。