微型撞击流反应器内二元粘性流体界面稳定性及混合强化研究

Micro impinging jets reactor has concentrated the dual advantages of mixing enhancement of the impinging stream and micro reactor, and has wide applied to the processes such as micro mixing and micro reactions in recent years. Current researches on the micro impinging stream reactor are mostly focused on the same kind of fluids, and results have shown that the self-sustained oscillation of the impinging interface is the main mechanism of the mixing enhancement of impinging jets. For binary viscous fluids with different properties, complex phenomena such as molecular diffusion and viscosity gradient will be formed in the impingement interface, while their effects on the interface instability and mixing mechanism have not been revealed yet. In addition, for micro impinging jets reactor, the inflow Reynolds numbers are usually very low, and displays a separated flow, and thus the mixing effect is poor. Therefore, the regulating and controlling the flow and mixing enhancement of the binary viscous fluids in micro impinging jets reactor become the emphasis and difficult points of the research. This project will start from the interface instability in the micro impinging jets reactor, and the oscillation rule of the impinging interface and its influence mechanism on the mixing quality will be in-depth studied, the mixing of binary viscous fluids will be intensified through regulation and excitation the oscillation of impingement plane. These studies have remarkable innovations to the theory of impinging streams and micro reactors, and also have very important application values to development of efficient and controllable micro impinging jets reactors. Previous studies on the stability and regulation of impinging jets have made a series of innovation achievements, which lays a good foundation for the completion of this project.

微型撞击流反应器集中了撞击流和微反应器强化混合的双重优点，近年来在微混合和微反应等过程得到广泛应用。目前对微型撞击流反应器的研究多集中在同种流体，结果表明撞击界面的自持振荡是撞击流强化混合的主要机制。对于物性相异的二元粘性流体，撞击界面上将形成分子扩散和粘度梯度等复杂现象，其对界面不稳定性和混合机理的影响尚待揭示。此外，微型撞击流反应器内入流雷诺数通常很小，易出现分离流，混合效果较差。因此，流动调控和混合强化是此类微反应器研究的重点和难点。本项目拟从微型撞击流反应器内二元粘性流体的界面不稳定性入手，揭示界面的振荡机理以及对混合性能的影响机制，通过激励调控撞击面振荡来实现二元粘性流体混合强化。这些研究是对撞击流微反应器相关理论的完善和创新，对高效、可控微型撞击流反应器开发具有十分重要的参考价值。前期在撞击流稳定性及其调控方面取得了一系列创新成果，为完成本课题奠定了很好的基础。

撞击流反应器具有很广的应用前景，但其中的流动和混合机理尚不完善。本项目使用激光诱导荧光技术（PLIF）、高速摄像仪和数值模拟等方法，系统研究了撞击流反应器中吞噬流流动模式及混合机理，考察了流体物性对流动和混合的影响，进一步探究了外加激励对混合的强化作用，得到一系列创新性结果。.（1）研究了T型撞击流反应器中吞噬流流动模式，考察了吞噬流对混合效果的影响，揭示了吞噬流的形成机理；发现十字型撞击流反应器中由撞击面上涡合并及破碎引发了非稳态吞噬流，揭示了非稳态吞噬流的形成机理。.（2）对撞击流反应器中二元流体的混合特征进行了研究，发现当Re≤75时，由于二元流体（水-酒精）在撞击面上的密度差，界面上的分子扩散作用使得二元流体撞击混合体系的混合效果优于同种流体撞击混合；当Re≥100时，二元流体的混合效果比单组分流体混合效果差。.（3）对激励作用下撞击流反应器内流体振荡特性和混合机理进行了研究，考察了激励的波形、频率和振幅对撞击面振荡行为和流体混合的影响。发现当流动为分离流时，激励能够引起撞击面振荡从而较好地改善流体间的混合效果，进一步提出了一种预测激励作用下撞击面振幅的半经验公式。.项目成果在国内外重要刊物发表论文11篇，SCI收录9篇，其中AIChE J 1篇、CEJ 3篇、CES 2篇、POF 2篇。授权发明专利2项，合作获2020中国颗粒学会自然科学一等奖和2021年度中国专利优秀奖。.研究结果丰富了撞击流反应器相关理论，为华东理工大学多喷嘴对置式气化炉的放大和优化提供了重要理论支撑，也为新型高效微小型撞击流反应器的设计、开发和优化提供了理论指导。另外，本研究首次发现了撞击流反应器中的循环区域，这将有望用于化工领域例如粒子分离、富集及纯化等过程以及用于生物领域诸如脂质囊泡融合、纳米颗粒细胞输运及细胞诊断等。