微通道内气泡聚并、破裂过程的界面演化规律及界面传质机理

利用高速摄像仪实时记录微通道内气泡聚并、破裂过程的界面演化规律。利用微粒子图像测速仪（micro-PIV）对微通道内气泡聚并、破裂过程的液相速度场进行实时测量。利用实时显微激光全息干涉测量装置对微通道内不同水相中气泡聚并、破裂过程的界面传质浓度场进行实时测量。建立预测气泡聚并、破裂及传质过程的数学模型。考察气液流速、液体物性（黏度、表面张力和流变性）、微通道结构和尺寸等对气泡聚并、破裂过程以及两相传质速率的影响。以运动流体的Navier-Stokes方程和传质对流－扩散方程为基础，采用格子－玻尔兹曼（LBM）方法，对微通道内气泡聚并、破裂及界面传质过程进行模拟计算，结合实验测量结果，揭示该过程的两相界面传递规律和界面微观传质机理，为进一步研究微系统中气液传递、传质特性提供基础。

本项目围绕微通道内气泡聚并、破裂过程的界面演化规律及传质机理展开，对气泡生成、分裂、聚并及传质过程的界面动态演化规律进行了较为系统的研究。系统研究了聚焦十字型微通道内气泡生成机理，发展了低黏、高黏流体内气泡生成过程的颈部夹断理论。发现了聚焦十字型微通道内气泡的生成过程的非线性破裂特征。提出了气泡尺寸预测模型：气泡的大小可以通过一个由气液流量比和毛细数构成的指数方程进行预测，而指数大小与流体黏度有关。系统研究了气泡在T型及Y型分岔口的不同行为。提出了不同破裂类型转变的临界气泡尺寸，建立了T型及Y型分岔处气泡破裂与非破裂转变的预测模型。发现不对称分岔结构更容易使气泡破裂。研究了下游管道中的流体动力学对非对称T型分岔口处气泡破裂的反馈机制：发现了一个临界气泡尺寸决定气泡破裂后的体积比，并提出了一个包含下游管道内气泡引起的额外阻力在内的模型预测气泡破裂的体积比。提出了伴有相间传质的气-液两相流不同流型的转换线。提出了微通道内伴有化学反应的液侧体积传质系数的预测模型。依托本项目，适当将研究对象由气液系统拓展至液液系统。研究了直通道内液-液两相流动力学特性。系统研究了微通道内液滴生成机理。发展了低黏、高黏流体内液滴生成过程中颈部夹断理论，提出了液滴尺寸预测模型：液滴的大小可以通过一个由两相流量比和毛细数构成的指数方程进行预测。研究了磁性液滴生成过程的动力学：径向磁场影响液滴生长的膨胀阶段，而轴向磁场影响液滴生成的破裂阶段。发现磁性液滴生成过程其细丝的颈部最小宽度与剩余时间呈幂律关系。研究成果为微化工过程中多相传递规律和微观传质机理提供了理论基础，并为微型化工装置的设计、放大、优化及调控提供了依据和技术支持。基于相关研究成果，发表了学术论文19篇，其中包括化工三大期刊论文共5篇（AIChE J 2篇, Chemical Engineering Science 3篇），微流体领域著名期刊Microfluidics and Nanofluidics 4篇。发表了国内外学术会议论文11篇。共培养博士生3名，硕士生4名。