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布置错位通道的微混合器内流体热混合特性

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-16  来源:中国砂浆网
核心提示:  连续性方程动量方程若忽略粘性耗散项,能量方程=―(a)(3)微通道的几何结构轮廓图动量方程采用二阶迎风格式。  能量方程的收敛标准选用水和乙醇作为热混合工质,首先对水和乙醇的物理性质进行分析。乙醇

  连续性方程动量方程若忽略粘性耗散项,能量方程=―(a)(3)微通道的几何结构轮廓图动量方程采用二阶迎风格式。

  能量方程的收敛标准选用水和乙醇作为热混合工质,首先对水和乙醇的物理性质进行分析。乙醇是一种无色、透明,易挥发,具有特殊香味的液体,密度比水小,能跟水以任意比互溶(般不能做萃取剂)且不与水反应,是一种重要的溶剂,其物理性质〔熔沸点、溶解性)与大气压力有关。在常温常压下,乙醇的熔点-117.3°C,沸点78.5°C,密度为0.7893g/cm3.本文数值模拟过程采用的乙醇设定为无水乙醇。在数值模拟过程中采用的另种混合工质为水。水对很多物质的溶解能力很强。考虑水的物性稳定且沸点较高,在对微混合器混合工质变温度的数值模拟过程中改变入口工质水的温度,而保持入口乙醇的温度不变为293K.在数值模型设定过程中,考虑在变温度下水的物性将发生改变,将数值模型设定中,工质物性中水的各种参数设为piecewise-inear.由于本文研究的是两种不发生化学反应的工质之间的混合,无反应热产生,在设定过程中,需考虑水的密度、比定压热容、导热系数及粘度的变化。考虑温度对扩散系数的影响,在流体组分设定中对密度、比定压热容、粘度及密度进行逐点拟合。

  2结果及讨论2.1变温下微混合器性能比较乙醇在标准大压下,沸腾温度为78. 3C,在数值模拟设定中,混合液体温度应保持在乙醇沸腾点以下。设定乙醇的入口温度为293K保持不变,改变水的温度分别为:288K、298K、303K、313K、323K、333K、343K,即:温差分别为At=-°C和50°C.分析在入口流体温度存在差异的情况下,错位通道结构微混合器内流体工质的混合性能及流动特性的是否发生改变。

  2.1.1温度对流动的影响为了说明温度对微混合器内部流体流态的影响,选取三种具有代表性的情况进行分析,即:At=- 5°C、At=0°C、At=40C.研究表明,当改变入口工质水的温度时,尽管水的物性参数发生了改变,但是并未根本改变微通道内流体的流动形式,在xoy平面内,主次通道上错位通道处及循环单元间混合腔处在不同温度下均会有漩涡产生;而沿通道高度方向上,除第个循环单元外均产生两对儿反向漩涡;故在本文的研究温度范围内温度对微通道内流体流型的影响可基本忽略不计。

  所示为当改变流体工质-水入口温度时,不同雷诺数下混合强度的变化关系。结果表明,足= 0.01时微混合器混合效果最好,而当足=1、足=5和足=20时微混合器混合性能均优于足=10.这再次证明了微混合器内主导混合因素的改变在尺=10时发生,此时微通道内流体流型会发生改变,说明尺数是影响微通道内混合工质流动形态的主要因素,温度对流体工质流动形态的影响较小。

  2.1.2温度对混合性能的影响0.9同时表明,在不同雷诺数下,当改变流体工质入0.8口温度时,由于流体的扩散系数及粘度等物性参数受到。7影响,流体工质的混合性能会有轻微改变,但这种变化极g其微弱,各雷诺数下混合性能图像在图中近似呈现为直啪线。

  为了深入分析不同入口流速下微混合器内部的温度场情况,给出了保持入口乙醇温度不变,在去离子水0.3m/s时在微混合器通道入口截面处工作介质的温度分布。从图中可以看出,沿着流体流动方向,乙醇的温度逐步升高,水的温度逐步降低,在通道汇合口处,两种液体发生初步混合。但在入口流速不同的情况下,通道内部等温线分布曲线形状存在差异:在较小雷诺数下,等温线绝大部分呈近似光滑的曲线分布;随着雷诺数的增大,等温线形状发生改变,呈现出不规则形式,这是由于在较高的入口流速下,流体间温度分布受流体粘性和扩散系数的影响,没有足够的时间在每个横断面内达到温度的均匀分布,故温度分布形式也随主流区域呈现出不规则形状。

  去离子水入U温度/K不同雷诺数下混合强度与入口温度间变化关系T型通道区域等温线分布当改变混合工质去离子水的入口温度时,微混合器出口混合工质的温度发生相应的变化,如所示,为不同入口温度下,微混合器出口混合工质的温度变化情况。由分析可知,微混合器的混合性能受温度影响极小,而数值模拟分析结果显示,在给定入口工质温度,改变雷诺数时,微混合器出口处温度变化也近似为条直线,故仅选取足=60的情况进行研究。结果表明:混合工质的出口温度与去离子水的入口温度变化关系可近似拟合为一条直线,入口温度对出口温度影响因子的确立也再次证明错位通道结构微混合器混合性能的稳定。

  在不同温差下,微混合器的出口基本已经达到了温度的均匀分布;为了定量分析微混合器内部温度场的具体分布,本文对不同温差下温度场分布加以说明:在微混合器入口处,两§股流体经过少部分的混合后,接触面上部分流体发生温度改31变,此时流体间扰动较小,两股流体间基本保持分层流动状舌态,变温流体进入第循环单元的主次通道内,定温流体进入第一循环单元的副次通道;在次通道内,沿着流体流动的方逼向,两个次通道内的流体温度逐渐降低;在两个循环单元间的混合腔处,由主次通道流出的温度较低的流体和副次通道内流出的温度较高流体发生不对称碰撞,在混合腔内出现温度介于两股流体之间的混合区域,再次证明错位通道混合腔处存在漩涡强化混合;此后混合腔内的流体发生分离,以相同的循环方式进入下循环单元。

  2.2温度对压降的影响压力损失作为微混合器性能的一个重要考虑因素,受到微通道几何结构及微通道内部流体的物理性质的影响,当改变微通道内部流体温度场分布时,错位通道微混合器f出入口的压降变化也是本文关心的一个问题。|如所示,为不同尺数下,微通道出入口压降AP篆与入口流体去离子水温度之间的变化关系。结果表明,在不同尺数下,微通道内部的出入口压力损失几乎不受微通道庄内部温度场的影响,尽管去离子水的温度在288~343K的温度范围内波动,但当兄数相同,去离子水入口温度不同时,压力损失曲线几乎保持为条直线,这说明微通道内的温度场并未显著改变流体的速度场,故压力损失值波动较小。

  由于在数值模拟过程中,微混合器出口设定为压力出口,而且在相同尺数下,微混合器内部的压力损失不受温度影响,为了更好研究压力损失的沿程变化值,如所示,为去离子水温度为T =333K时,沿流动方向微混合器内部的压力分互布曲线。沿着流体流动的方向,各截面内压力值逐渐减小,这说明在流体流动过程中收到了沿程阻力损失及局部损失损失|的作用,通过数据分布可知,这种压力损失受温度的影响较劳小;本文分析中截取的各点分别为入口处和其他循环单元中g心处。通过数据计算可知相邻循环单元间压力损失值分别为328Pa,说明循环单元结构相同,其压力损失基本保持不变。

  3结论本文研究了变温度下混合工质水的物性变化,通过改变入口水的温度,利用Fluent软件对布置错位通道的微混合器进行了三维数值模拟,并分析了温度对于微混合器内部流动、换热及混合的影响,得到如下结论:通过分析给定雷诺数下,当温度的变化范围为-5°C时,温度对于混合工质流动形态的影响可忽略不计;混合强度作为衡量微混合器性能的重要参数,当改变微混合器入口流体工质的温度时,错位通道的混合强度值,在不同雷诺数下均未发生明显改变,其混合强度几乎保持为一条水平直线,这再次证明了该微混合器混合性能的稳定性,入口流体的温度对混合性能的扰动作用较小。

  在水平面内,循环单元间混合腔内存在流体低温区及微通道高度方向上反向漩涡的中心流体温度相对较低,这均可以证明漩涡在促进混合的同时降低了流体工质的温度。

  微混合器内的压力损失包括沿程阻力损失及局部阻力损失,两种压力损失均与流体工质的速度有关,当保持入口流速保持不变时,改变入口流体温度对微混合器出入口的压力损失影响甚微。

 
 
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