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        錯位碰撞型微混合器混合性能的模擬分析與優(yōu)化設計

        2023-10-14 07:51:42趙曦馬浩然李平黃愛玲
        化工進展 2023年9期
        關鍵詞:混合器錯位寬度

        趙曦,馬浩然,李平,黃愛玲

        (寧夏大學化學化工學院,省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室,寧夏 銀川 750021)

        作為微流控技術的重要應用,微混合器已廣泛應用于工程[1]、生物技術[2]和醫(yī)學[3]等領域。在過去的20 年里,微混合器以其低制造成本、高比表面積[4]和快速響應時間[5]在生物和化學過程[6-7]、可再生能源和制藥工業(yè)等各個領域引起了廣泛關注。微混合器內(nèi)主要由分子擴散(分子在流體中的轉(zhuǎn)移和運動)引導混合,這是一個耗時的過程[8]。根據(jù)工作機理,微混合器可分為主動式微混合器和被動式微混合器兩種。有源微混合器是一種需要外部能源的微混合器,如磁力、超聲波、介電電泳(當非均勻電場施加在介電顆粒上時,其會受到力)等,以干擾流動[9-10],這些微混合器難以制造且昂貴。而被動式微混合器是不需要任何外部能量輸入的微混合器,只需要流體泵和壓降來驅(qū)動流動,這是通過改變幾何形狀或在流體流動路徑中設置障礙來實現(xiàn)的[11-12],目的是在微通道局部產(chǎn)生二次流強化混合[13]。被動微混合器分為障礙物型、匯聚-發(fā)散型、分離重組型、混沌-對流型、曲線通道型[14]和錯位碰撞型。障礙物式微混合器是指在流道中設置障礙物,擾亂流場,產(chǎn)生混沌對流,以提高微混合器的混合效率[15-17]。匯聚-發(fā)散微混合器利用橫截面積的快速變化來拉伸和壓縮流體,這會干擾流線并增加流體的接觸面積[14,18-19]。分離重組結(jié)構(gòu)微混合器通過改變流體流向使其產(chǎn)生混沌對流,增加兩相接觸面積[20-21]。彎曲微混合器的主要特點是它們在高雷諾數(shù)下混合效果表現(xiàn)良好。此外,隨著流速的增加,流體的慣性力不斷增強,產(chǎn)生離心傾向,導致流道內(nèi)出現(xiàn)橫向二次流(迪恩流)強化混合[22-25]。

        Ahmadi等[15]在彎曲型微混合器中加入擋板,流體流過擋板時產(chǎn)生混沌對流,使流體混合得到增強。Lyu等[16]設計了一種具有康托分形擋板的微混合器,研究了擋板高度h、擋板距離P、微流道寬度L、微流道高度H對微混合器混合性能的影響。Agarwal等[17]在T型微混合器內(nèi)加入擴壓板,研究了不同排列的擴壓板對混合的影響。Jiang等[14]對帶障礙物的變半徑螺旋微混合器在不同雷諾數(shù)下進行了研究,發(fā)現(xiàn)帶障礙物的變半徑螺旋微混合器只能在高雷諾數(shù)條件下提高混合效率。Mehrdel等[19]對有膨脹區(qū)域的微混合器和沒有膨脹區(qū)域的微混合器進行比較,發(fā)現(xiàn)流體流過膨脹區(qū)域時流線發(fā)生改變,流線對混合性能產(chǎn)生了影響。Zou等[20]基于非平衡對撞結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)特斯拉微混合器進行改進,將傳統(tǒng)特斯拉微混合器在Re=0.5~10的范圍內(nèi),混合效率提高了20%左右。Aghasi 等[21]設計了6 種基于分裂和重組結(jié)構(gòu)的微混合器,在低雷諾數(shù)下進行實驗,發(fā)現(xiàn)增加碰撞結(jié)構(gòu)數(shù)量對混合性能有明顯影響。Tripathi等[24]研究了微混合器中流道長寬比對混合性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)流道長寬比對混合性能的影響明顯,其中流道寬度的影響比流道深度對混合性能的影響明顯。Fernández-Maza等[25]研究了彎曲型微混合器,發(fā)現(xiàn)曲率半徑減小,促進了渦流的形成,而渦流的形成促進了混合。Sinha等[23]在微混合器中設置錯位碰撞結(jié)構(gòu),并與沒有錯位碰撞結(jié)構(gòu)的微混合器進行了比較,發(fā)現(xiàn)在中低雷諾數(shù)下混合強度顯著提高。Tokas等[26]在設置錯位碰撞結(jié)構(gòu)的微混合器和沒有設置錯位碰撞結(jié)構(gòu)的微混合器中通入非牛頓流體,比較在兩種微混合器中的混合性能,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量在m=0.000 05kg/h 時T 型比三維螺旋型之間的混合效率差異為62.5%。質(zhì)量流量在m=0.09kg/h時三維螺旋型混合器的混合效率依然高于T型混合器。

        基于以上對多種微混合器的研究,本文提出了一種錯位碰撞型微混合器,通過數(shù)值模擬對其混合指數(shù)、壓降及混合效果等進行綜合評價,探索兩種不同流體的多相流混合性能和流動狀態(tài),進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計,并與其他已報道的微混合器進行混合效果對比。本研究可以為受多因素影響的微通道內(nèi)流體混合裝置的結(jié)構(gòu)設計提供一種有效的分析方法。

        1 物理模型

        針對圖1所示微混合器建立3D模型,對結(jié)構(gòu)尺寸不同時兩種流體的混合和傳質(zhì)過程進行模擬分析。每個微混合器都有一個寬W1、高W2的矩形通道,兩種不同的液體分別從兩個入口流入。入口長度為4mm,初始和最終直線長度分別為2mm 和1mm。選擇常見的乙醇和水作為兩種入口流體(流體特性見表1),質(zhì)量擴散率為1.2×10-9m2/s,乙醇和水分別從入口1和入口2等速進入。流體濃度以乙醇計,因此入口1的質(zhì)量分數(shù)記為1,入口2的質(zhì)量分數(shù)記為0,兩種流體流入通道后,混合流體濃度由高濃度向低濃度擴散,通道截面積為0.04mm2,流速為0.5015m/s,水相入口雷諾數(shù)為100,保持不變。

        圖1 微混合器表1 20℃時流體的性質(zhì)

        2 模型建立

        2.1 控制方程

        在研究中使用Ansys/Fluent 軟件對微通道混合器內(nèi)流體流動狀況進行三維模擬,兩種流體(水和乙醇)均被看作穩(wěn)態(tài)、層流、不可壓縮、等溫的牛頓流體。因此,使用單一的速度、壓力等對流體的運動進行建模。質(zhì)量、動量和組分輸運的控制方程如式(1)~式(5)[27]。

        流體水乙醇混合物黏度/kg·m-1·s-1 1.003×10-3 1.200×10-3 2.890×10-3擴散系數(shù)/m2·s-1密度/kg·m-3 9.98×102 7.90×102—— —1.2×10-9

        連續(xù)性方程如式(1)。

        質(zhì)量分數(shù)方程如式(4)。

        式中,ui、p、τij、D和C分別是速度矢量、壓力、應力張量、二元擴散系數(shù)和乙醇的質(zhì)量分數(shù)。注意,μ是假設為常數(shù)的混合物黏度,ρ是使用體積加權(quán)混合定律計算的混合物密度在通道壁面處,應用無滑移邊界條件。選擇速度入口和壓力出口,出口處考慮零靜壓。在入口處規(guī)定了均勻的速度。兩個入口的乙醇和水的質(zhì)量分數(shù)分別為(1,0)和(0,1)。

        混合強度是通過某一截面上某一組分在所有計算節(jié)點上的質(zhì)量分數(shù)或濃度方差進行計算得到的,常用來表征宏觀混合,其計算如式(6)~式(8)[28-29]。

        式中,N為網(wǎng)格節(jié)點數(shù);Ci為各計算節(jié)點i上某組分的質(zhì)量分數(shù)或摩爾分數(shù);Cˉm為截面上各計算節(jié)點i上的平均質(zhì)量分數(shù)或摩爾分數(shù);σ2為質(zhì)量分數(shù)或摩爾分數(shù)的方差;σ2max為質(zhì)量分數(shù)或摩爾分數(shù)的最大方差;M為混合強度。若物料混合均勻,此時Ci=Cˉm=0.5,則混合強度M=100%,M數(shù)值越大,混合強度越大。

        需要注意的是,混合指數(shù)和壓降不能獨立地作為選擇高效微混合器的決定因素,相反,這兩個因素應該一起分析。因此,為了預測混合指數(shù)和壓降的組合效應,混合效率(Mp)計算如式(9)[30]。

        式中,Δp*量綱為1壓降,由式(10)給出。

        式中,Δp為微混合器入口和出口之間的壓降。它是通過取微混合器入口和出口靜壓的面積加權(quán)平均值之間的差值來計算的。

        2.2 結(jié)構(gòu)尺寸不同的微混合器

        通道截面積保持0.04mm2不變,分別考察通道內(nèi)流體碰撞處的通道寬高比、通道內(nèi)發(fā)散處最大寬度、錯位高度對出口處混合效率的影響。結(jié)構(gòu)尺寸不同的微混合器見表2。

        表2 結(jié)構(gòu)尺寸不同的微混合器

        2.3 網(wǎng)格無關性驗證

        為了節(jié)省計算時間,并保證模擬結(jié)果的準確性,對微混合器進行網(wǎng)格獨立性測試。微混合器流體計算域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格長寬比大于0.32,最小角大于33,網(wǎng)格質(zhì)量均在0.56以上,分別測試了網(wǎng)格數(shù)量為725330、1304842、2370836、3531330、5478284 的模型,最大網(wǎng)格尺寸依次為16μm、13.5μm、10.5μm、9.3μm、8μm。由圖2可以看出,微混合器出口處水平中心線上的速度大小及分布基本一致。

        圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下的出口水平中心線速度分布

        圖3 考察了不同網(wǎng)格數(shù)下微混合器的XY平面上的濃度、速度和壓力云圖。圖3(a)的網(wǎng)格數(shù)為1304842,圖3(b)的網(wǎng)格數(shù)為2370836,圖3(c)的網(wǎng)格數(shù)為3531330,可以看到,當網(wǎng)格數(shù)大于2370836后,濃度云圖、速度云圖和最大壓力幾乎保持不變,表明繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響可以忽略不計。故采用網(wǎng)格數(shù)為2370836用于數(shù)值研究。

        圖3 網(wǎng)格無關性測試

        2.4 模型驗證

        為進一步驗證本研究數(shù)值模型的準確性,將本研究的模擬結(jié)果與Zhang 等[31]的工作進行比較,如圖4 所示,出口流速分布的模擬結(jié)果與Zhang 等的研究結(jié)果非常吻合。當流速達到最大流速時,結(jié)果之間的誤差小于1%。本文模擬所用模型參數(shù)與Tripathi 等[24]的相同,對比流體在微混合器轉(zhuǎn)彎處的濃度分布,模擬結(jié)果相似(圖5),說明本研究所選用模型準確。

        圖4 數(shù)值模型的驗證

        圖5 模型驗證

        3 結(jié)果與討論

        3.1 模擬結(jié)果分析

        3.1.1 通道寬高比對混合效果的影響

        如圖6(a)所示,在探討通道寬高比對混合效率的影響時發(fā)現(xiàn),隨著寬高比中寬所占比例增大,混合效率出現(xiàn)最大值,但隨著寬高比中寬所占比例繼續(xù)增加,混合效率逐漸降低,在寬高比1∶1 時混合效率出現(xiàn)了最大值,寬高比3∶1時出現(xiàn)最小值,而且寬度變化的影響大于深度變化的影響,這主要是受到混合指數(shù)的影響,而與壓降的關系不大。從表3中可以看到,寬高比的不同會影響出口處的濃度分布,高濃度和低濃度的位置也發(fā)生了變化,寬高比1∶3、1∶2、1∶1 與2∶1、3∶1 相比呈現(xiàn)出曲線型的濃度梯度,混合接觸面較大,而且寬高比1∶3、1∶2、1∶1 具有更多的混合較好的區(qū)域,這種濃度的獨特分布具有更大的混合效率[3]。從表4 中可以看到,在寬高比1∶3 時混合指數(shù)為0.120 10,而在寬高比3∶1時混合指數(shù)只有0.02716,寬高比3∶1 時混合指數(shù)明顯更差。這說明與高度相比,寬度越小混合程度更高。所以在通道內(nèi)流體碰撞處錯位高度為0、通道內(nèi)發(fā)散處最大寬度為0 的條件下,寬高比1∶1 時混合效率出現(xiàn)了最大值,最佳寬高比為1∶1。

        表4 模擬結(jié)果

        圖6 混合效率隨各因素改變的變化趨勢

        3.1.2 通道發(fā)散處寬度對混合效果的影響

        圖7說明了通過增大通道發(fā)散處最大寬度將增加混合器沿通道的混合長度(擴散表面,見圖7綠色線)。數(shù)值模擬(圖8)表明,由于流動為層流,流線沿剖面擴展,因此擴散面增加[19]通道壁的曲率會影響相鄰的流動。通道壁的曲率會影響相鄰的流動,由于微混合器的小尺寸,不應忽略流動方向和大小的任何變化。如圖7紅框內(nèi)所示,與直通道相比,增大通道發(fā)散處最大寬度,混合器的混合長度增加,通道發(fā)散處最大寬度為0.5mm時,微混合器的混合長度增加15.6%(單個膨脹結(jié)構(gòu)),混合效率整體上增加5.5%;通道發(fā)散處最大寬度為0.8mm時,微混合器的混合長度增加45%(單個膨脹結(jié)構(gòu)),混合效率整體上增加7.6%;通道發(fā)散處最大寬度為1.1mm 時,微混合器的混合長度增加94.8%(單個膨脹結(jié)構(gòu)),混合效率整體上增加8.3%;通道發(fā)散處最大寬度為1.4mm 時,微混合器的混合長度增加156%(單個膨脹結(jié)構(gòu)),混合效率整體上增加8.6%。如圖6(b)所示,隨著通道發(fā)散處最大寬度的增大,混合長度增加,相應的混合效率得到提高,但是隨著通道發(fā)散處最大寬度的繼續(xù)增大,混合效率的增加開始變得緩慢,直到混合效率無明顯增大,這是由于在增大通道發(fā)散處最大寬度的同時,通道增大處位置壓降會降低,這會導致流體之間的接觸變差,通道發(fā)散處最大寬度繼續(xù)增大,通道增大處位置壓降持續(xù)降低,直到通道增大處位置壓降無明顯變化,此時,混合效率的增加只與所增加的混合長度相關,所以混合效率增加緩慢。由于通道發(fā)散處最大寬度大于0.45mm 之后,混合效率增加不明顯,所以發(fā)散處最大寬度最大取到0.45mm。

        圖7 微混合器幾何中心線和混合長度線

        圖8 模擬從入口1注入乙醇、入口2注入水在流速0.50m/s的情況下的混合

        3.1.3 錯位高度對混合效果的影響

        如圖6(c)所示,在探討通道內(nèi)流體碰撞處錯位高度對混合效率的影響時發(fā)現(xiàn),隨著錯位高度的提高,混合效率出現(xiàn)最大值,但隨著錯位高度的繼續(xù)增高,混合效率開始降低,在通道寬高比1∶1、通道發(fā)散處最大寬度0.6mm 的條件下,錯位高度0.4mm時,在出口處獲得最高的混合效率。為了了解為什么會出現(xiàn)混合效率先增加后降低這一結(jié)果,在不同錯位高度的微混合器中取了3個截面,來說明這一情況,如圖9所示,可以看到當錯位高度大于0時,混合效果明顯提升,這是因為這種錯位結(jié)構(gòu)的設計會在碰撞處出現(xiàn)渦流,并且由于錯位結(jié)構(gòu)的三維曲率,使得產(chǎn)生離心力,二次流現(xiàn)在占主導地位。二次流通常在三維曲面周圍形成。二次流垂直于流體流動的主方向。這引入了混沌對流,增加了混合指數(shù)。從表5中可以看到隨著錯位高度的提高,截面積變大,增加了兩相接觸面積,所以隨著錯位高度的提高,混合效果越來越好,但是當錯位高度高于0.4mm時,截面積繼續(xù)變大,但是離心力開始變差,混沌對流現(xiàn)象變?nèi)?,導致兩相接觸面積減小,所以混合效果開始變差。

        表5 不同錯位高度下,流體碰撞處乙醇的質(zhì)量分數(shù)云圖

        圖9 流體碰撞處截面

        為了證明垂直混沌對流是否存在,模擬了錯位碰撞處的垂直速度云圖,見表6。很明顯,除了靠近壁面的一小部分以外,截面1、截面2、截面3都有垂直流動,其中錯位高度0.4mm時,垂直流動最為明顯,所以此時混合效率最高。垂直流是垂直于主流的二次流,垂直流引發(fā)了垂直混沌對流。

        表6 不同錯位高度下,流體碰撞處的垂直速度云圖

        3.2 優(yōu)化微混合器

        通過上述模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),流體碰撞處的錯位高度對混合效率的影響最為明顯,正如Xia 等[32]的研究提出速度場和濃度場之間更好的協(xié)同作用導致傳質(zhì)增強,而流體碰撞處錯位高度的引入能有效改變速度矢量與濃度梯度的協(xié)同程度。根據(jù)前面的模擬結(jié)果對微混合器進行優(yōu)化,得到優(yōu)化后微混合器(MTT)如圖10(a)所示,在同樣長度的基礎上,增加了一個碰撞結(jié)構(gòu)。通過增加一個碰撞結(jié)構(gòu),可以獲得更大的混合效率。發(fā)散處最大寬度對出口處混合效率無明顯增長,在設計新的微混合器時不再考慮這一因素。圖10(b)模擬所得最佳結(jié)構(gòu)微混合器(MST),圖10(c)為T型結(jié)構(gòu)微混合器(MT)。

        圖10 3種微混合器

        3.2.1 混合效果分析

        圖11顯示了3種微混合器出口處水平中心線上的濃度分布,MTT與前面MST以及MT相比,水平中心線上的濃度分布更加接近0.5??傮w而言,MTT的混合效果在水平中心線上優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)微混合器。

        圖11 3種結(jié)構(gòu)微混合器出口橫截面水平中心線濃度分布

        3種不同結(jié)構(gòu)的微混合器的濃度截面輪廓如圖12(a)~(c)所示。當兩種不同的流體在通道交匯處碰撞時,有錯位結(jié)構(gòu)的混合器表現(xiàn)為濃度等值線在xz平面變長,然后兩種流體在xz平面形成漩渦狀的濃度等值線。這種現(xiàn)象結(jié)合圖12(d)揭示了整個流道混合效率提高的原因。

        圖12 沿流動通道的濃度分布

        為了直觀地比較新型微混合器的混合效果,沿流道的混合效率如圖12(d)所示。沿y軸取相同y軸距離的截面,使用式(8)計算結(jié)果。從圖12中可以看到為什么錯位結(jié)構(gòu)可以增強混合效果以及怎么增強混合效果的。圖12(d)中3條線中第1個點[代表圖12(a)~(c)中沿y軸第1 個截面]是3 種微混合器兩種流體第1次碰撞處的混合指數(shù),不難發(fā)現(xiàn),沒有錯位結(jié)構(gòu)的微混合器(MT)混合指數(shù)高于有錯位結(jié)構(gòu)的兩種微混合器。從圖12(d)中3條線中第2個點[代表圖12(a)~(c)中沿y軸第2個截面]可以看到,在通過第1個碰撞區(qū)域,流過一小段距離后,有錯位結(jié)構(gòu)的兩種微混合器混合指數(shù)迅速提高,混合效果遠高于沒有錯位結(jié)構(gòu)的微混合器(MT),從圖12(a)、(b)中可以看到,流體在通過錯位結(jié)構(gòu),流過一段距離,流體呈現(xiàn)出旋渦狀的混合現(xiàn)象,而圖12(c)中沒有出現(xiàn)這種旋渦狀的混合現(xiàn)象,說明旋渦狀的混合現(xiàn)象是由流體通過錯位結(jié)構(gòu)造成的,這是由于流體在流過錯位結(jié)構(gòu)后,會在橫向平面中產(chǎn)生二次流,使一種流體被拉入另一種流體,從而形成旋渦狀的混合現(xiàn)象,這種漩渦狀的混合現(xiàn)象極大增加了兩種流體的接觸面積,是增強混合的主要原因。但是這種旋渦狀的混合現(xiàn)象在兩種流體碰撞后,需要流體在流過一段距離后逐漸成型,所以兩種流體在錯位結(jié)構(gòu)處剛碰撞的時候,由于流體沒有形成漩渦狀的混合現(xiàn)象,也沒有直接碰撞,混合效果反而不如沒有錯位結(jié)構(gòu)的碰撞區(qū)域。從圖12(d)中3條線中第5個點[代表圖12(a)~(c)中沿y軸第5 個截面]可以看到,MST 混合指數(shù)高于MTT(沿y軸第5 個截面,MTT 出現(xiàn)錯位結(jié)構(gòu),MST 沒有出現(xiàn)錯位結(jié)構(gòu)),在第6個點[代表圖12(a)~(c)中沿y軸第6個截面] MTT混合指數(shù)迅速提高,遠高于MST混合指數(shù),這同樣是由于流體在流過錯位結(jié)構(gòu)后,會在橫向平面中產(chǎn)生二次流,使一種流體被拉入另一種流體,從而形成旋渦狀的混合現(xiàn)象,這種旋渦狀的混合現(xiàn)象增強了兩種流體間的混合。從出口上看,最佳混合結(jié)構(gòu)為MTT,其出口混合效率在80%以上。

        3.2.2 壓力損失和流場分析

        通道內(nèi)壓力變化曲線如圖13 所示。流體在通過碰撞區(qū)域后壓力會出現(xiàn)驟降,在通道擴大區(qū)域壓力幾乎無變化,壓力沿流道整體呈線性下降。此外,MTT 出現(xiàn)最大壓降。與直通道相比,錯位結(jié)構(gòu)和通道擴散區(qū)域限制了流體在通道內(nèi)的流動,從而提高了壓降。毫無疑問,復雜的流動結(jié)構(gòu)會影響混合效果,但大多數(shù)情況下存在更多的流動損失。因此,結(jié)合壓力損失和混合指數(shù)的綜合評價可以較好地分析不同微混合器的優(yōu)越性。

        圖13 沿流動通道的壓力分布

        在圖14 中,流線的顏色表示濃度大小,渦旋箭頭的顏色表示截面處的速度大小。濃度等值線受流線影響。3種結(jié)構(gòu)微混合器的流線狀況和渦流分布揭示了導致4 種模型混合能力差異的主要原因。從3幅圖中可以看出,兩種流體在通過錯位結(jié)構(gòu)碰撞區(qū)域時,會形成旋渦狀的交錯現(xiàn)象,這是由于在橫向平面產(chǎn)生了二次流,一種流體被拉入另外一種流體,這種旋渦狀的混合現(xiàn)象增加混合接觸面的面積。在通道的擴散區(qū)域,流線出現(xiàn)彎曲,這種流線的彎曲也可以增加混合接觸面的面積。這都有利于增強混合。

        圖14 MTT、MST和MT的流場和渦流場

        3.2.3 綜合評價

        錯位型微混合器可以提高流體的混合效率,但同時壓力損失增加。由圖15可以看出,3種不同微混合器在第1個流體碰撞處,沒有錯位結(jié)構(gòu)的T型微混合器(MT)混合效率高于有錯位結(jié)構(gòu)的其他兩種微混合器,即錯位結(jié)構(gòu)在流體碰撞處混合效果沒有明顯增強,在流體流過錯位結(jié)構(gòu)后,通道橫截面產(chǎn)生二次流,一種流體被拉入另外一種流體,形成旋渦狀的混合現(xiàn)象,增加了混合接觸面的面積來增強混合,所以在流體流過錯位結(jié)構(gòu)后,混合效率迅速升高。在圖15 中,第6 個點可以看到,MTT混合效率超過MST,這是因為此時MTT 內(nèi)流體在錯位結(jié)構(gòu)處完成了第二次碰撞。在圖15 中,第10個點(也就是混合器出口處)可以看到MTT 和MST的混合效率都有所上升,這是因為這兩種微混合器內(nèi)流體在錯位結(jié)構(gòu)處都完成了一次碰撞,但是MTT 內(nèi)流體在通過這次錯位結(jié)構(gòu)之前已經(jīng)有了很高的混合效率,所以與MST 相比混合效率提高得并不明顯。整體上看,MTT混合效率更高。

        圖15 不同微混合器的混合效率變化

        3.3 錯位型微混合器性能評價

        Tripathi 等[24]的研究與本文使用的流體相同而且Tripathi 等研究的微混合器與錯位型微混合器MTT 具有相同的通道寬高(寬高為0.2mm),在圖16中,將錯位型微混合器MTT分別與Tripathi等研究的微混合器在相同通道長度下進行分析比較(Tripathi 等研究的SS 型和SE 型微混合器plane4 與錯位型微混合器通道長度基本相同,RS 型微混合器plane3與錯位型微混合器通道長度基本相同)。

        圖16 MTT與Tripathi等[24]研究的混合器混合比較

        從圖16 可以看到,低雷諾數(shù)時(Re<10),混合由分子擴散控制,與微混合器的構(gòu)型無關,混合程度隨停留時間的增加而增強,此時MTT 與Tripathi 等研究的3 種微混合器混合程度都很低。在雷諾數(shù)大于10 后,混合器的混合程度隨雷諾數(shù)的增加而增加,MTT 與Tripathi 等研究的3 種微混合器相比,MTT 在更小的雷諾數(shù)下,獲得了更好的混合,并且在高雷諾數(shù)下混合程度依然很高。

        Mondal等[18]提出了浣熊形微混合器與蛇形微混合器,并對其混合性能進行了研究。圖17 將MTT與Mondal 等提出的浣熊形微混合器與蛇形微混合器在Re=100時進行分析比較。

        圖17 Re=100時濃度云圖

        從圖17 可以看到,通道內(nèi)流體在經(jīng)過碰撞區(qū)域后,在浣熊形微混合器與蛇形微混合器中,流體與流體之間有一條清晰的分界線,而在MTT 中,流體經(jīng)過錯位碰撞區(qū)域后,出現(xiàn)多條流體與流體之間的分界線,多條流體與流體之間分界線的存在,增加了兩種流體的接觸面積。如圖17(a)截面1和截面2所示,流體與流體之間的多條分界線是由于流體在流過錯位碰撞區(qū)域后,會形成旋渦狀的交錯現(xiàn)象,這種旋渦狀的混合現(xiàn)象增加了混合接觸面的面積。

        4 結(jié)論

        對低雷諾數(shù)下微混合器的混合性能進行了數(shù)值研究。分析了幾何結(jié)構(gòu)對壓降、混合指數(shù)、混合效率的影響。并對微混合器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,得到以下結(jié)論。

        (1)通過模擬分析,當流體碰撞處錯位高度為0.4mm、通道發(fā)散處寬度為0.6mm、通道寬高比為1∶1 時混合效果最好,并且發(fā)現(xiàn)通道發(fā)散處寬度變化對混合效率的影響不明顯。

        (2)對微混合器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計,對比了3種不同微混合器的混合效果,其中MTT 和MST 混合性能優(yōu)于T型結(jié)構(gòu)微混合器。優(yōu)化模擬所得最佳結(jié)構(gòu)微混合器表現(xiàn)出最大的混合能力,其出口處混合指數(shù)超過0.81,混合效率為4.86×10-3。

        (3)模擬結(jié)果顯示,流體碰撞處錯位結(jié)構(gòu)并沒有直接提高混合性能,而是流體在流過錯位結(jié)構(gòu)后會在橫向平面中產(chǎn)生二次流,使一種流體被拉入另一種流體,從而形成旋渦狀的混合現(xiàn)象,這種漩渦狀的混合現(xiàn)象極大增加了兩種流體的接觸面積,從而增強混合性能。

        (4)模擬結(jié)果顯示,Re≤10時,混合程度由分子擴散控制,不受反應器結(jié)構(gòu)影響,隨停留時間的增加而增強。與其他微混合器相比,兩種流體在通過MTT 型微混合器后擁有更大的接觸面積,所以其在較低雷諾數(shù)下或較高雷諾數(shù)下,MTT 型微混合器混合性能均更好。

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