基于拉格朗日跟踪法的微混合器内混沌混合特性

为了分析三维交叉导流式(Staggered oriented ridges,SOR)微混合器内混沌混合特性,在计算流体力学的基础上,采用拉格朗日跟踪技术数值模拟SOR混合器中流道截面上流体物质线和物质面的变形、拉伸情况,并通过平均对数线拉伸计算定量地评价SOR混合器的混合效果。研究结果表明:SOR微混合流道内可诱发混沌对流,并在其作用下可增加流体粒子的接触面积,提高混合效率。在小雷诺数时,线拉伸随雷诺数增大变化不大,但在雷诺数较大时,线拉伸随雷诺数增大而增大。

混沌流微混合器的性能优化

为提高低雷诺数层流条件下被动式微混合器的效率,依据"三维马蹄变换"数学模型,对流体进行"挤压拉伸""弯曲折叠""二次折叠"和"逆变换-交集"操作,得到了一款包含6个混合单元,总长度为15 mm的混沌流微混合器。仿真研究表明:在"低流速-扩散主导"阶段u=2×10^(-4)m/s时,t=300 s后混合器进入稳定混合状态,出口处的混合指数α_(Outlet)=97.82%;在"中流速-湍流发展"阶段u=5×10^(-3)m/s时,t=70 s后进入稳定混合状态,经3个混合单元后混合指数α_(Inlet4)=98.89%;在"高流速-湍流主导"阶段u=8×10^(-2)m/s时,t=22 s后进入稳定混合状态,经2个混合单元后混合指数α_(Inlet3)=99.35%。采用基于面投影微立体光刻的3D打印技术整体制备了混合器芯片,借助显微镜用可视化方法对不同进样流速下的混合器性能进行了验证,示踪剂颜色变化实验结果与表面浓度云图的仿真结果一致。

内置阻块型微混合器内流体混合强化的数值模拟

采用计算流体力学方法对3种内置阻块波浪形微混合器进行模拟研究,考察内置阻块尺寸、排列方式及阻块数量对流体混合的强化效果。由速度场和物质输运模型结合进行流体的混合模拟,得到流体混合快照图和流体混合速率,进一步由流体平均径向线拉伸和李雅普洛夫指数定量表征混沌混合程度。结果表明:混合器壁面波浪状V形凹槽的设计和微通道内长方块的设置产生周期性的流场,从而引发混沌流。将阻块倾斜设置或增加微通道内阻块的数量,混沌流作用增强,从而促进流体混合。最后考察了不同贝克来数Pe下流体的混合性能,发现微通道混合量纲一长度与lnPe之间呈线性关系。

4WS转子密炼机聚合物混沌混合的拉格朗日拟序结构分析

采用拉格朗日拟序结构的分析方法,对标准四棱4WS转子密炼机聚合物混沌混合进行研究。利用网格叠加技术(MST),计算了密炼机二维流场的速度场分布。在此基础上,利用基于拉格朗日体系的有限时间Lyapunov指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS),结合Poincaré映射和粒子可视化技术,分析了4WS转子密炼机二维流场的混沌混合特性;讨论了转子几何结构对FTLE和LCS分布的影响以及密炼机二维流场潜在的动力学和几何特性。结果表明,由于物质线的封闭状态,导致了密炼机近转子区流体输运受到了阻碍,因此,增强近转子区与远转子区的物质交换是进行转子优化的重要环节。由于4WS转子棱边独特的凹槽结构,在近转子区易产生马蹄形结构,在流域中形成同宿穿插结构,增强了近转子区和远转子区之间的物质交换,强化了密炼机流场的混沌混合。

被动式微流控混合器的研究进展

微流控混合器是微流控芯片的重要组成部分,是完成微量样品快速混合的一个功能部件。综述了国内外微流控混合器的最新研究进展,论述了微流控混合器的混合机理、设计方法、制作工艺、材料选择及应用等。微流控混合器分为主动式微流控混合器和被动式微流控混合器。主动式微流控混合器主要依靠外部力源实现微量样品的混合,如磁致微流控混合器、电极式微流控混合器和压电/超声波微流控混合器等。主动式微流控混合器结构复杂,因此不易与其他微流控功能器件集成。被动式微流控混合器制作工艺相对简单,易于集成,耗能低,应用广泛,已经在化学工程与生物工程中得到应用。

双转子连续混炼机中的混沌混合行为研究

运用混沌流动理论,对双转子连续混炼机混炼流场的混沌流动特性进行了分析研究,提出了采用以物料停留时间为基准的修正Lyapunov指数来描述混合过程中发生的拉伸应变,并借助于有限元计算,得出流场绝大部分区域的修正Lyapunov指数大于零,并发现混炼流场中存在非常有利于拉伸、折叠流动的涡旋流动,赋予了双转子连续混炼机优异的分散与分布混合特性。

Roller转子密炼机聚合物流体的混沌混合特性

建立了Roller转子密炼机二维有限元模型,利用网格重叠技术,对密炼机流体的流动过程进行了数值模拟。利用粒子示踪技术,采用4阶Runge-Kutta法计算了不同转数和不同流体粒子释放位置的密炼机Poincaré截面、平均对数线拉伸及Lyapunov指数等混沌混合参数。从非线性混沌理论的视角研究了Roller转子密炼机的混沌混合机理。结果表明,在双转子周期性扰动的作用下,聚合物流体在密炼机内被反复地拉伸、折叠,且啮合区的Poincaré截面出现了典型的"马蹄形"混沌结构。随着混合周期的增加,平均线拉伸以指数形式增长,且Lyapunov指数大于零。Roller转子密炼机流体具有混沌对流的特征。

旋流静态混合器内瞬态流动特性研究进展

首先概括了静态混合的技术特色;其次,重点综述了近年来旋流静态混合器内脉动压力与速度波动的统计特征、多尺度分形和混沌混合特性等方面的研究进展;实验研究发现Kenics静态混合器各点压力最大波动幅值与进口流量呈二次函数关系,脉动功率谱随着频率的增加呈幂函数关系衰减;轴截面内壁面自由涡和主体区强制涡相互耦合诱导混沌流的产生,同时提高速度与温度梯度的场协同程度。最后,总结了静态混合器内螺旋元件的切割分流、改变流向和径向混合等功能在强化CO2水合物形成过程中的作用。指出将计算流体力学、映射法等方法同LIF、PIV、PFS有机结合可有效地分析静态混合器内多相流动混合机理。

Cam转子密炼机混沌混合特性影响因素分析

建立了Cam转子密炼机二维流动有限元模型,采用网格重叠技术,对密炼机瞬态混炼流场进行了数值模拟。在此基础上,结合Poincaré截面、平均对数线拉伸、Lyapunov指数等参数对混沌混合进行定性及定量表征;研究了转子中心距、初始相位角及转速等因素对Cam转子密炼机流体混沌混合强度的影响。结果表明,转子中心距、初始相位角及转速等因素直接影响混炼流场的混沌混合强度;增大转子中心距、改变初始相位角、提高转速等方法可强化混炼过程的混沌混合,提高流体的混合效率。

周期性压力对T型微管内二元流体混合效果的影响

在微流动领域经常涉及到试剂的混合问题,但是在微设备中,雷诺数Re低,流体趋向于形成层流,很难发生有效的混合.通过对微管内流体施加周期性压力使流速随时间呈周期性变化可以有效促进微流动混合.运用格子Boltzmann方法模拟了T型微管内流体的流速随时间呈正弦曲线变化而导致的混沌现象.结果发现,混沌混合的效果取决于两流体流速的相位差、流速的变化周期和系统的雷诺数Re.

双转子连续混炼机混沌型转子混合性能的研究

在提出一种新型混沌型转子结构的基础上,运用Polyflow软件对其混炼过程进行三维非牛顿等温模拟,并借助于粒子示踪法对物料所经历的流场特性进行统计学分析;分析了转子结构和工艺参数对转子混合性能的影响,同时通过共混改性实验,对转子的混合效果进行了评估和表征。结果表明,高混沌型转子的分布混合能力有较大的提高,同时保持着良好的分散混合能力;混沌型转子制备的复合材料力学性能优于经典转子;转子转速的提高可以增强混沌转子的分散及分布混合能力,适当的加料速率是保证取得较好混合效果的关键因素。

弯曲微通道中液滴内混合过程的数值模拟研究

微混合器内采用多相流操作条件使混合在液滴中进行,能有效提高微混合器的混合效率以及消除单相流操作条件下所存在的分散效应。在流体体积函数法(VOF)的计算流体力学基础上,分别采用欧拉-示踪剂法以及拉格朗日-示踪粒子法对弯曲微通道中液滴内部的混合状态演变过程进行模拟研究,得到了液滴经过通道不同位置其内部的混合快照图并计算了其混合程度的变化。两种方法都显示在液滴通过蛇形弯曲微混合器时,液滴内部产生了混沌流。正是由于混沌混合现象的存在,使得液滴内混合组分能够达到快速有效地混合,混合效率较高。对两种不同模拟方法及实验结果的比较发现,欧拉-示踪剂法能够更好地模拟实际的混合效果,而拉格朗日-示踪粒子法能够更清晰地模拟混合组分界面的变化情况,适用于研究液滴内混沌混合现象。

现场多变情况下沥青混合料出机口温度的动态控制

沥青混合料入仓温度为沥青心墙和水电工程进场公路施工质量控制的一个重要的指标,其直接影响后续的铺筑温度控制。而入仓温度又受现场工作面小气候(如气温、湿度、风速)、沥青混合料运输时间及出机口温度等多种因素的影响,故为保证入仓温度,需根据现场实际情况来动态调整出机口温度。在分析各因素与入仓温度之间关系的基础上,建立了入仓温度与影响因素的回归模型,并采用混沌萤火虫优化算法来识别该模型的变量系数。进而提出了现场多变情况下出机口温度的动态调整方法,可根据沥青混合料入仓温度的控制要求及实时采集的工作面小气候信息和运输时间,来动态控制沥青混合料的出机口温度,从而确保了后续铺筑施工质量。

基于格子Boltzmann方法的混沌微混合器仿真研究

微混合器是生物微流体芯片的重要组成部分,其通道特征尺寸一般在几十到几百微米,采用常规的流体有限元法很难获得令人满意的分析效果。本文采用格子Boltzmann方法对微混合器的特性进行模拟分析。通过对两种斜槽式底面混沌微混合器通道的流场速度进行计算,模拟痕量样品粒子在载体流中的整个分散混合过程,研究了样品粒子混合的标准偏差与混合距离的关系,发现其符合高斯曲线的规律。上述仿真研究结果与相关文献的实验数据非常一致。表明格子Boltzmann方法可以作为微流体混合器及微流体芯片设计中的一种有效的分析工具。

微反应系统合成硝化甘油的工艺研究

为推动微化工技术在硝化甘油合成中的应用,通过自主设计的混沌式微混合器,以甘油、硝酸和硫酸为原料,研究了微反应系统连续合成硝化甘油的工艺。探究了微流道尺寸、反应物摩尔比及反应温度对微混合器内硝化甘油产率的影响,确定了最佳工艺条件:微流道直径1.0 mm,反应温度19℃,反应时间5 min,甘油与硝酸的摩尔比1.04.5;此时,硝化甘油产率为50.9%,纯度为98.9%。

转子相位角对密炼机内流体输运机理的影响

剪切型异向旋转双转子密炼机广泛应用于高聚物的混合加工过程中。从动力学角度出发,采用拉格朗日拟序结构(LCS)和有限时间李雅普诺夫指数(FTLE),分析了转子不同初始相位角对密炼机可视化流形几何结构动力学特性的影响,得出了异向旋转双转子密炼机内流体输运机理。同时,结合粒子追踪技术,研究了非定常流场下LCS对粒子分布规律的影响。结果表明,不同初始相位角影响了异向旋转双转子密炼机流场LCS的结构稳定性,改变了流域内物质输运特性,流体粒子的运动规律证明了LCS作为流域内的准边界特性。

立式捏合机搅拌槽内混合机理

以立式捏合机桨叶为研究对象,重点研究桨叶的搅拌过程机理。结合混沌混合理论,阐述了立式捏合机桨叶偏心布置及桨叶行星运动是促使产生混沌混合的必要条件。采用UV示踪实验证实了立式捏合机搅拌槽内混沌混合的存在,对比立式捏合机桨叶正、反向转动模式,发现桨叶反向转动模式下混合物料的平均应变速率较大,更有利于物料的分散式混合和分布式混合。依据Poincaré截面判定准则,立式捏合机搅拌过程中搅拌槽内搅拌物料处于混沌状态。