微通道内受限液滴强化传质机理的数值模拟研究

微流控芯片内形成的微米级液滴,由于具有极大的比表面积,可以有效提高其混合速度和传热效果,从而有效缩短反应时间,在分析科学和材料合成领域具有显著优势,但微尺度下液滴内部强化机制和作用原理目前尚不明确.基于微尺度多相流液滴动力学的基本理论,建立了十字型共聚焦微通道模型,采用相场方法分析了微通道内部液滴的流场特性及浓度分布规律,进一步分析了微通道结构尺寸、毛细数、水含率对液滴混合效率的影响,明确了微通道内强化传质的微观机理.研究发现:通道宽度降低,液滴受到壁面的压力增大,会使液滴内部近壁面处产生对称涡旋,从而强化液滴内部对流传质系数;通道宽度为10μm时,液滴混合效率最高,可达96.5%;毛细数为2.3×10~(-3)时液滴的混合效率约为63.6%,是毛细数为5.38×10~(-3)的两倍;水含率范围在0.2～0.6范围内时存在最优值,即水含率为0.4时混合效率可达79%;相比于直通道,直角型通道混合效率增长77.6%.