微流體通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的仿生學(xué)研究.pdf

1、反應(yīng)器微型化是化工過程強(qiáng)化的重要研究方向，本文對(duì)微反應(yīng)器微通道內(nèi)流體的流動(dòng)、混合、傳質(zhì)性能展開詳細(xì)研究，并對(duì)微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
　　 本文首先對(duì)單級(jí)和多級(jí)T形微通道結(jié)構(gòu)中互溶兩相流體的混合規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究。隨著流動(dòng)雷諾數(shù)的增加，微通道內(nèi)依次出現(xiàn)層流、渦流、卷流三種不同流動(dòng)狀態(tài)。在相同停留時(shí)間條件下，多級(jí)T形微通道結(jié)構(gòu)中流體混合效率明顯高于單級(jí)。研究結(jié)果說明，含有多級(jí)T形結(jié)構(gòu)的樹狀分形仿生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠極大

2、地強(qiáng)化流體混合，是一種高效的微混合構(gòu)型。
　　 進(jìn)一步地，分別對(duì)單級(jí)和雙級(jí)T形微通道結(jié)構(gòu)中水和甲苯體系，CO2和水體系兩相流動(dòng)與傳質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與模擬，拍攝了兩相流動(dòng)流型變化。測(cè)量了醋酸在水和甲苯兩相中的分配獲得了T形微通道中液液兩相傳質(zhì)系數(shù)，通過對(duì)T形微通道內(nèi)水物理吸收CO2過程的測(cè)定獲得了氣液兩相傳質(zhì)系數(shù)。采用VOF流體力學(xué)模型模擬了T形微通道中液液、氣液兩相不同流型的形成和變化過程，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了彈狀尺寸。研究發(fā)現(xiàn)，含有多級(jí)T形

3、結(jié)構(gòu)的分形樹狀仿生網(wǎng)絡(luò)能夠有效地提高液液、氣液兩相間的傳質(zhì)速率，是一種高效的微萃取、微吸收構(gòu)型。
　　 最后，借鑒生物循環(huán)系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了一種具有進(jìn)料、出料微通道網(wǎng)絡(luò)分布的整體式仿生催化劑芯片。對(duì)仿生通道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型進(jìn)行了CFD模擬研究和優(yōu)化計(jì)算。具有仿生通道網(wǎng)絡(luò)分布的整體式仿生催化劑芯片流動(dòng)阻力低，返混小，抗干擾能力強(qiáng)。探索了仿生催化劑芯片在三個(gè)典型反應(yīng)體系的應(yīng)用，模擬結(jié)果表明仿生催化劑芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，該催