南粤36选7最近5o期走势图:三種不同結構微混合器的性能分析及壓損比較

放大字體  縮小字體 發布日期:2017-10-26  來源:中國砂漿網
核心提示:  三種不同結構微混合器的性能分析及壓損比較夏國棟,吳宏杰,李健,崔珍珍,周明正(北京工業大學環境與能源工程學院,強化傳熱與過程節能教育部重點?! ”?微混合器幾何結構尺寸混合器類型特殊部分圓形扇形錯

南粤36选7开奖号码286 www.rhkmj.icu   三種不同結構微混合器的性能分析及壓損比較夏國棟,吳宏杰,李健,崔珍珍,周明正(北京工業大學環境與能源工程學院,強化傳熱與過程節能教育部重點。

  表1微混合器幾何結構尺寸混合器類型特殊部分圓形扇形錯位本文采用Fluent三維雙精度、非耦合隱式求解器進行數值模擬,利用二階迎風格式進行空間離散化,采用六面體網格結構、分塊耦合的方法對整個模型進行計算。數值模擬中,假定采用穩態、不可壓流體,固體壁面采用無滑移邊界條件,通道2個入口設為等速的速度邊界條件,通道出口壓力為零,其他固體壁面設為絕熱邊界條件;考慮雷諾數在1 ~80變化,利用2種無法發生化學反應的工作介質水和乙醇,混合分析更精確,并20°C時其物理性質,擴散系數Dab取為1. 2X10―9m2/s.同時,假定在多組分流體進行混合的情況下,流體工質混合在分子水平,且平均流速和壓力相同,考慮通過對流和擴散發生傳質過程。

  根據這些假設,基于連續性方程、Navier-equation方程及對流擴散方程,控制方程可表示為1.2網格獨立性及數值計算有效性檢驗在混合分析中,網格的質量決定數值分析結果的準確性,計算之前應先經過網格無關性驗證,以確保數值模擬結果與網格尺寸無關。與非結構化網格相比較,結構化網格能在數值分析區域提供更充足的結點數目,適用于所有的幾何結構,故本文數值模擬采用結構化網格。為了找出最優網格數,本文采用6個不同的結構化網格系統。以錯位通道結構微混合器Re=80、進口速度為0.3m/s的計算單元為例,模擬采用網格數目分別為:21.1萬、70.5萬、110.7萬、156.05萬、210.46萬,與網格數為279.42萬計算單元的混合度最大誤差分別為5. 14%、2.19%95%32%和0.13%.進行網格獨立性測試時,采用的網格數逐漸增大。研究發現:當各網格數均與最大網格數進行比較時,每次的混合強度模擬值的誤差逐漸減小,當采用網格數為210. 46萬時,其與最大網格數279.42萬對比,混合強度值的誤差已達到0.13%,在綜合考慮計算精度和計算成本的基礎上,可采用210. 46萬做為最優網格數。收斂的標準為本文利用混合工質水和乙醇溶液,在不同雷諾數下,對Ansari等M分析的非對稱分離重組圓形通道微混合器、夏國棟等08分析的非對稱分離重組扇形空腔微混合器及本文提出的錯位通道微混合器的混合特性進行了數值模擬及混合強度值的計算,并與7-進行了比較。如所示:數值模擬結果保持了很好的一致性,驗證了該數值計算的有效性。

  1.3混合效果量化分析為了評價微混合器的混合程度,與以往相同,在流動方向上取截面,定義該截面上混合物的質量分數變化為采樣點上的質量分數;Cm為橫斷面上組分濃度的統計平均值,即:期望;為通道任意縱向位置整個橫截面內的組分濃度標準方差。

  為了定量分析微混合器的混合性能,混合強度定義為的組分濃度最強方差?;旌锨慷仍?~1變化,當M=0時,(7 =為完全獨立流,表明2流體間未發生混合;當M= =0,為完全混合流,表明流體間已經完全混合。

  2結果與討論2.1通道幾何結構對混合強度的影響為不同通道結構的微混合器混合通道出口處的混合度與混合工質雷諾數之間的變化關系。結果顯示:3種不同通道結構的微混合器混合通道出口處的混合強度均隨雷諾數的升高而增大,這是因為3種微混合器都是基于非對稱結構產生不平衡碰撞,改變微通道內的流體流型,進而加強擾動強化混合;與平面內非對稱圓形通道分離重組微混合器相比較,扇形空腔分離重組微混合器和錯位通道分離重組微混合器的混合強度顯著提升,表明不同通道的幾何形狀對微混合器的混合強度影響較大,且經過對錯位通道微混合器近一步的數值模擬結果顯示,通過增加循環單元數量,可以提高混合器的混合效果,但是混合強度提高不明顯,為了更好地與Ansari等6-7及夏國棟等M的微混合器進行有效對比,仍采用4個循環單元。

  由于流體流經彎曲管道時所受離心力的影響,3種微混合器在垂直于流動方向的截面上會產生1對對稱的反向運動漩渦,從而加劇微通道高度方向上流體工質的混合。而在水平面內,如(b)所示,夏國棟等設計的扇形空腔微混合器混合工質受主次通道上突擴的扇形空腔的影響,扇形空腔入口形成擴展渦系,漩渦的產生加大了微通道內流體間的擾動,增大了混合工質間的接觸面積,強化了混合;主次通道的扇形空腔出口處,微通道截面面積的突然變小、流體的質量流速的突然增大加劇了其與次通道流體匯合時的不平衡碰撞,進而有效提高混合;(c)所示為錯位通道微混合器在主次通道上布置的錯位通道結構,利用通道上的2次截流來改變流體的流型。這種變截面截流的通道設計,2次提高主次通道內流體質量流速,顯著加強了流體間的擾動,且在錯位截流通道的入口也形成了個擴展渦系,而這個渦系的擾動程度遠大于扇形空腔內渦系的擾動。錯位通道微混合器的設計,使每2個循環單元間主次通道流體的匯合處形成混合腔,且在腔內產生個擾動漩渦,混合效果被大幅度提高,流體在混合腔內混合后再次分離進入下一循環。

  2.2不同截面處的混合強度比較所示為3種不同通道結構的微混合器在不同雷諾數(1、10、20、80)下,混合強度沿微通道長度方向的變化。由可知:3種微混合器的混合強度均隨雷諾數的增大而增大,且在不同的雷諾數下,非對稱分離重組錯位通道結構微混合器的混合強度均大于其他2種結構類型的微混合器;雷諾數大小和微通道的幾何結構參數是控制微通道內流體流動的主要因素。但當Re =10時,3種結構類型微混合器質之間的接觸面積增大,對流混合增強,并逐漸取代的混合強度均為最低值。這種現象是因為在雷諾數了分子擴散作用占據了影響混合的主導地位,從而較小時,主要依靠分子擴散作用來實現微通道內的導致混合強度在雷諾數在1 ~1變化時,通道相同混合;但隨著雷諾數逐漸增大,流體的層流運動由于位置的混合強度逐漸減低;扇形空腔微混合器在受通道幾何形狀參數的影響增加了擾流源,混合工Re =20時混合強度提高并不明顯,見(c)。

  考慮非對稱分離重組圓形通道微混合器的混合強度遠小于其他2種類型的微混合器,本文僅對非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器和錯位通道微混合器的截面混合進行比較。所示為2種不同類型微混合器同通道長度截面處的混合情況,模擬中紅色代表液體A,藍色代表液體B,2種流體完全混合時質量分數為50%,上方為濃度分布標尺。在x=0.5mm處,2種類型微混合器通道內的混合情況相同,這是因為在X=0. 5mm截面之前,2種混合器的幾何結構完全相同;在X=次通道上的流體混合情況相同,但由于主次通道幾何結構的差異,混合情況開始出現差異;在X=2. 85mm處,2種類型微混合器主次通道上混合強度的差距開始增大,由也可以清晰表明錯位通道結構微混合器的混合強度較扇形空腔結構微混合器有顯著提高;X=8.25mm處,為2種不同結構類型微混合器通道出口處的混合情況。

  2.3壓降分析微混合器的壓力損失是評價微混合器性能的重要指標。由于實際流體具有黏性,流動過程中就會受到阻力的作用。微通道內流體的流動需考慮其沿程阻力損失和局部阻力損失。引起局部損失的主要原因是由于邊壁形狀的急劇改變,流體的慣性造成主流與邊壁脫離,形成漩渦區,質點漩渦運動耗能,同時漩渦不斷被主流帶向下游,加劇下游一定范圍內主流的紊動強度,從而加大能量損失,流速分布因邊壁的改變而不斷改變,也將造成能量損失。

  所示為通道幾何結構不同的微混合器混合通道進出口壓力差如與雷諾數之間的變化關系。由可知,數值模擬采用的3種微混合器幾何結構不同,混合通道內壓降值均隨雷諾數的升高而增大;但是不同幾何通道結構對微混合器的壓降大小影響較大,平面內非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器混合通道內的壓降最小,在流速不變的情況下,因其布置了扇形空腔結構進而加大了混合通道的比表面積,故其壓降值會減??;平面內非對稱分離重組圓形通道結構壓降居于二者之間;而非對稱分離重組錯位通道結構微混合器的壓力差明顯大于其他2種結構類型的微混合器,這是由于錯位通道微混合器的壓力損失不僅包括沿程阻力損失,而且由于錯位通道微混合器存在微通道截面上截流效應,導致流線彎曲、流體束被壓縮、部分流體被加速,由此帶來的流體質點的碰撞也將造成局部能量損失;截留面后及混合腔中漩渦的產生,高速流體碰撞低速流體,也將增大阻力損失,而且流量越大這種碰撞損失越大??悸俏⒒旌掀韉難菇到閑?,與宏觀通道微混合器的壓降損失不在同數量級,故容易滿足。當雷諾數定時,要求達到的混合強度值越高,其消耗的泵功越大;而當消耗的泵功一定時,扇形通道微混合器的混合效果最好,但其能達到的最高混合強度低于錯位通道微混合器,因此,在對微通道內流體混合要求較高的微混合器內,微混合器的混合強度是最重要的衡量指標;但是在某些特殊的微系統中,若考慮微系統集成方面存在的困難,可綜合考慮混合強度和壓降。

  壓力損失知與Re數的關系3結論改變微通道幾何結構可以改變微混合器的混合性能。

  當雷諾數較小時,微通道內的混合主要取決于分子擴散作用,混合強度隨雷諾數增大而減??;當雷諾數大于10后,3種類型的微混合器的混合強度均隨雷諾數增大而增大。

  為滿足不同微系統的需要,在要求快速混合的微系統中應采用錯位通道微混合器;但在某些特殊情況下,若考慮微系統的集成方面要求,可采用混合效果稍差但通道壓降較小的扇形空腔微混合器。

 
 
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