多尺度液－液两相流分散－聚并基础研究

Liquid-liquid two-phase flow is an important research issue in the field of chemical engineering. In this project, the experimental and theoretical research on the breakup-coalescence of the droplet in two-phase flow in milli-micro-scale and macro-scale will be carried out. In the milli-micro-scale, the droplet breakup-coalescence will be experimentally researched through micro-fluidic and micro-detection technology. The droplet interface will be treated as a curved surface in moving and deformation. The theory of differentiable manifold and tensor analysis combined with computational fluid dynamics (CFD) will be used to the theoretical research on the droplet breakup-coalescence mechanism. Then, as a link between the behavior of single droplet and droplet group, statistics will be used to derive the breakup-coalescence probability model. Furthermore, in macro-scale, the experimental research on the breakup-coalescence of droplet group will be carried out in an extraction column. Population balance model based on the breakup-coalescence probability model will be used to perform a CFD simulation on the liquid-liquid two-phase flow in macro-scale. Combining the milli-micro-scale and the macro-scale, systematic and fundamental research on the breakup-coalescence behavior and mechanism of liquid-liquid two-phase flow will be undertaken in the project. The research results will enrich the basic theory of multi-scale two-phase flow. It will also be significant to guide the operation of chemical engineering processes involving liquid-liquid two-phase flow.

液－液两相流是化工学科重要的研究对象之一，本课题从毫微尺度和宏观尺度上对其液滴分散－聚并行为进行实验和理论研究。在毫微尺度上，通过微流控、微探测等先进技术对液滴的分散－聚并进行实验研究，并将相界面抽象化为发生形变与运动的曲面，引入微分流形和张量分析等先进的数学工具，与计算流体力学相结合，对液滴的分散－聚并机理进行理论研究。进而，将统计学作为毫微尺度与宏观尺度的纽带，从液滴的确定性行为机理得到液滴群的分散－聚并机率模型，作为宏观两相流分散－聚并研究的基础。更进一步，在宏观尺度上，通过萃取柱进行液滴群分散－聚并规律的实验研究，并采用基于液滴群分散－聚并机率模型的群体平衡模型结合计算流体力学对宏观两相流的分散－聚并规律进行理论研究。课题将毫微尺度与宏观尺度有机结合，对液－液两相流的分散－聚并行为和机理进行系统和深入的研究，将丰富多尺度两相流基本理论，对涉及液－液两相流的化工过程有重要指导意义。

针对液－液两相流这一化工学科的重要研究对象，本项目开展了从毫微尺度到宏观尺度的液滴分散－聚并规律的实验和理论研究工作。主要研究内容和结果如下：在对毫微尺度液滴分散规律进行了系统研究的基础上，发现了一种未见报道的新的液滴分散模式，并提出了理论机理；在毫微尺度液滴聚并实验的基础上，从界面附近压力各向异性出发，提出了液滴聚并能垒模型；发展了一种直接测量宏观尺度液滴破碎和聚并频率函数的方法，在脉冲柱和搅拌槽等宏观设备内进行了液滴破碎聚并规律的系统研究，特别地，所测得的破碎频率函数的直接实验数据填补了国际相关领域的研究空白，对推动液－液两相流相关研究有重要学术价值；发展了一种新的水平集函数法实现了毫微尺度液滴流的数值模拟，进一步通过改进将其扩展到了宏观局部流场中多液滴的数值模拟，这一模拟方法建立了从毫微尺度数值模拟到宏观尺度数值模拟的桥梁；利用所测得的破碎频率函数对文献中现有理论模型进行了检验，证明文献通用的利用液滴尺寸分布进行间接检验的方法是不充分的，进一步证明了本项目所测得的有关数据对液－液两相流发展有重要学术价值；利用本项目得到的群体平衡模型子模型对大型脉冲柱内的液－液两相流进行了数值模拟，模拟结果与实验结果符合较好，证明了所获得的子模型和群体平衡模拟方法在大规模液－液接触设备的计算上应用的可行性。综上所述，本项目对液－液两相流的实验测量方法和数值模拟方法都在一定程度上有所发展，丰富了相关领域的实验数据和基本理论，所获得的结果对实际液－液两相流设备的设计和运行有重要指导意义。