T型微通道内两相流动数值模拟和流场

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微通道内两相流动的数值模拟

价值工程0引言微通道内可进行两相流体的混合、蛋白质的结晶、纳米粒子合成、DNA 分析等，这使得微通道内的流动问题成为研究的热点，但微通道尺寸极小，用实验研究难度较大。

随着计算机技术的发展，数值模拟成为另一种研究微通道内两相流动的重要手段。

相场法是借助Cahn-Hilliard 对流方程，用自由能量描述两相界面，分离出两种不同的流场。

相场模型在使用非结构化网格或有限元技巧的模拟中更容易实施，能够模拟能量耗散流动[1]。

计算中不用对流场进行重新初始化，并且相关变量也有实际的物理意义、能够较好的保证能量守恒。

本文将借助经典算例和实际问题来验证用相场方法模拟微通道内两相流动的可靠性。

1相场理论自由能量密度为f mix （φ，塄φ）=12λ|塄φ|2+f 0（φ），它表示两相流体之间的相互作用，其中φ是相场变量，λ是混合能量密度参数，ε是两相界面厚度。

对自由能量密度积分，得到自由能F=v乙f mix dv 。

Van der Waals 假定平衡的相界面在自由能最小处，因此相界面上满足δF =0。

对于一维相界面，平衡的相界面是φ（x ）=tanh x2姨ε姨姨。

混合能量密度、界面厚度和表面张力系数之间满足σ=22姨λ。

2控制方程将Cahn-Hilliard 对流方程和结合NS 方程，得到不可压缩粘性层流流动控制方程：塄·v 軆=0鄣v 軆鄣t +v 軆·姨姨塄v 軆=塄·-p I+μ塄v 軆+塄v 軆姨姨T 姨姨鄣鄣+1ρF 軋σ+g 軆鄣φ鄣t +v 軆·塄φ=塄·（γ塄G 軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋），式中，p 是压强，ρ是密度，μ是动力粘性系数。

表面张力F 軋σ=G 塄φ=，G 是化学势。

离散相、连续相对应的φ值分别是-1，1，因此两相界面就是φ从-1变化到1的区域。

3数值方法合理性验证计算中尖锐角点的保持是非常困难的，而旋转的Zalesak 盘是考察数值方法是否能够保持尖锐角点的经典算例。

T 型集输管路油水两相流数值模拟

T 型集输管路油水两相流数值模拟于爽;阿斯汉;孙策;王卫强;刘欣【摘要】Since high moisture content is one of the characteristics of oil field in China,an oil-water two phase homogeneous flow model was established in this study.Finite volume method and pressure velocity coupling PISO algorithm were adopted to conduct the numerical simulation of oil-water two phase flow in T-tube.The influences of different diameter ratios on the internal local resistance of T-tube were studied.The distributions of pressure and velocity in the T-tube were accessed through calculation.The results indicated that on the intersection of the main pipe and branch pipe,local resistance was the highest, which was obviously higher than the frictional resistances before and after the intersection.Different diameter ratios had great influence on local resistance loss on the intersection.With the increase of vertical branch pipe diameter,local resistance loss increased accordingly.In addition,since the volume of main pipe became larger after the confluence,the frictional resistances were all larger than those before the confluence.%针对我国油田含水率较高的特点，建立油水两相均质流模型。

错流接触T型微通道内两相流动数值模拟

流量比呈线性增长；滴落机制中，离散相长度与黏性比大小成反比．这些基本规律，为有效控制微通道内
离散相尺寸和微通道系统优化设计提供了一定的依据．关键词：Ｔ型微通道；数值模拟；相场方法；两相流
中图分类号：０３５７文献标志码：Ａ
第ｌ６卷第２期
２０１３年４月
西安文理学院学报：自然科学版
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ ’ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｔｓ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ（ＮａｔＳｃｉＥｄ）
ｓｔｕｄｙ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ（ｂａｓｅｄｏｎｐｈａｓｅｉｆｅｌｄｍｅｔｈｏｄ）ａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｔｈｅｔｗｏ
ＷＡＮＧＬｉｎ — ｌｉｎ，ＨＵＨｏｎｇ — ｐｉｎｇ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｈｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｔｓａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉｈｎ７１００６５，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｅｎｇｄｏｎｇＣｏＨｅｇｅ，ＸｉｈｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｈｎ７１０４９０，Ｃｈｉｎａ）

二维T型微通道内液滴生成的数值模拟

Ｉ【１Ｐｆ１ｓ＿Ｉ）ｎａｌＴ＿ｊ【儿１‘‘ｔｉＯＩ１ｎｆｉｃｒｏｅｈａｎｎｅ１．Ｔｅｆｅ（’ｔｏｔ’ｅａｐｉｌｌａ￣ＹＢｕｌｎｂｅｌ’，ｆｌｏｗ—Ｉａｌｅｒａｔｉｏ，ａｎｄｖｉｓ（＿Ｉ）ｓｉｃｙｒａｔｉｏＯｉｌｔｈｅ（１ｒｏｐｌｅｔ
ｌｅｎｇｔｈａｌｔｄＳ１）ａ（’Ｐｗ｜Ｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉ，ｉｎ｜．ｅｓｕｌｔｓＷｅｒｆ－ｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍ￣『１１ｗｉｔｈＩｈｅｅｘｐｅｌ’ｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓＴｌ１ｒ．
度随毛细数增大而减小且存在幂率关系，随流量比的增大而线性增大，随粘性比增大而略微增大且无明显函数
关系；此外，液滴间距随毛细数增大而线性增大，随流量比增大而减小且存在幂率关系，随黏性比增大而略微增
维Ｔ型微通道内液滴生成的数值模拟
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海ｌபைடு நூலகம்
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韩雪兵。。杨帆。郭雪岩
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摘要：采用Ｆｌｕｅｎｔ中“流体体积 ”模型对二维Ｔ型微通道内液滴的生成进行了数值模拟，考察了连续相毛细数、流量比、黏性比对液滴尺寸和液滴间距的影响，与实验结果进行了对比，吻合较好计算结果表明，液滴长
．
０引口

T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟

T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟王澎;陈斌【摘要】利用VOF模型对T型结构微流控芯片中微液滴的三维破裂过程进行了数值模拟,获得了液滴发生破裂和不会破裂两种流型.一定轴向长度的微液滴对应着一个临界毛细数,当主流流体的毛细数大于此临界毛细数时,微液滴发生破裂并分别流向T型结构两侧；否则不会发生破裂,微液滴流向任意一侧.通过多个工况的计算,拟合了临界毛细数与微液滴相对轴向长度的关系,探讨了黏度比对微液滴破裂的影响.发现黏度比越小,微液滴越易发生破裂.%Three dimensional numerical simulation of micro-droplet breakup in a T-shaped micro-fluidic chip was carried out using the VOF method, and the regimes of breakup and non-breakup were observed, respectively. For a droplet with a specific axial length, there existed a critical capillary number, which could be used to describe the transition between these two regimes. The results showed that micro-droplet would break up when the capillary number was high enough and turned into two daughter droplets. Otherwise non-breakup of droplet would occur while the capillary number was small and micro-droplet would flow into either side of the micro-channel randomly. The correlations between the critical capillary number and the non-dimensional length of micro-droplet were obtained based on numerical simulation. The critical capillary number decreased with increasing droplet size, when the droplet was large enough to obstruct the channel and the pressure accumulated to split the droplet and the critical capillary number was relatively small. When the droplet was too small to obstruct the channeland the pressure was released fast without helping to split the droplet, the critical capillary number was relatively high. Finally, the effect of viscosity ratio on the breakup was discussed and it was found that the higher the viscosity of continuous phase, the higher the capillary number which was needed to break up the droplets, and the critical capillary number decreased with increasing viscosity ratio.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2012(063)004【总页数】5页(P999-1003)【关键词】微流控芯片;微液滴;T型微通道;破裂;VOF【作者】王澎;陈斌【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049【正文语种】中文【中图分类】O359随着MEMS技术的迅猛发展，微流控芯片实验室（lab－on－chip）已可将生物或化学实验室微缩到一块数平方厘米的芯片上。

湿壁面条件下T型微通道内两相流数值模拟______

第38卷第10期西南师范大学学报(自然科学版)2013年10月V o l.38N o.10J o u r n a l o f S o u t h w e s t C h i n aN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)O c t.2013文章编号:10005471(2013)10006207湿壁面条件下T型微通道内两相流数值模拟①王琳琳1,2,胡洪萍11.西安文理学院数学与计算机工程学院,西安710065;2.热流科学与工程教育部重点实验室,西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049摘要:采用相场法,数值模拟T型微通道内不可压缩两相流动.改变毛细数大小,在壁面和连续相完全浸润的条件下,得到离散相的两种形成机理:挤压机理和滴落机理,并发现挤压机理下离散相的形成对主通道内连续相流动影响较大,离散相形成前后,滴落机理下离散相底部壁面的黏性切应力比挤压机理下的大.对于不同的流量比,壁面和连续相浸润程度减弱,挤压机理下离散相长度增加,离散相前后端形状逐渐不对称,大流量比下会使离散相在主通道下游脱离,滴落机理下壁面湿度变化对离散相尺寸和形状影响微弱.这些基本规律,为有效控制微通道内离散相的尺寸和制造微通道设备材料的选择提供了依据.关键词:微通道;两相流动;接触角;毛细数中图分类号:T Q021.1文献标志码:A随着微电子系统(M E M S)概念的提出,M E M S中微通道内两相流动引起学者的广泛关注,通常微通道的宽度小于1mm,流速较小,通道内可忽略重力的作用,微重力条件下的流动和传热特性可通过微通道进行研究[1],并且微通道内两相流动还可应用到众多研究领域,例如:高通量筛选实验[2]㊁化学和材料合成㊁药品开发㊁生物鉴定㊁D N A分析[3]㊁微流体逻辑门[4]等.微通道系统的主体部分通常由同向流动的微通道㊁T型微通道㊁十字型微通道构成,其中T型微通道最早由T h o r s e n等人报道[5],是使用最广泛的微通道之一,在T型微通道的两入口分别注入离散相和连续相,当毛细数不太大时,通道内可规律的形成尺寸和间距一定的气泡或液滴,这种气泡流或液滴流能够加速通道内流体的流动㊁提高传质能力和换热率.离散相的形成主要受到连续相的挤压力㊁黏性力和表面张力作用,毛细数表示了黏性力相对表面张力的大小,改变毛细数,会产生不同类型的离散相,微通道内两相流动受到壁面约束,壁面和流体间的湿度也影响通道内的流动,因此改变毛细数和壁面湿度,得到不同机理下的流动,在有效控制离散相尺寸和优化设计微通道等方面具有重要意义.由于微通道宽度极小,用实验精确测量离散相的变形㊁长度㊁体积和通道内流场㊁压强的变化难度较大,研究成本较高.随着计算机运行速度的飞速提高,数值模拟已成为研究微通道内流动的另一种重要的研究手段,目前研究微通道内两相流动常用的数值方法有:标记粒子单元法(MA C)㊁流体体积函数法(V O F)㊁水平集法(L S M)㊁相场法(P F M)等.相场法是基于流体自由能量模型,借助对流C a h n-H i l l i a r d方程,通过化学势描述两相界面分离出不同的流场,在使用非结构网格时相场模型比其他方法更容易实施,相场法还能够模拟能量耗散的流动.本文采用相场法,结合质量守恒方程和N-S方程,模拟T型微通道内的两相流动,在壁面和连续相完全接润的条件下,通过改变毛细数大小㊁研究不同机理下离散相形成中通道内的流动特点和离散相形成前①收稿日期:20130427基金项目:国家自然科学基金资助项目(51076126);西安市科技计划项目(C X Y1134W L09).作者简介:王琳琳(1981),女,河南长垣人,博士研究生,讲师,主要从事微通道内两相流动的研究工作.后离散相底部壁面上黏性切应力的变化,并考察不同机理下壁面湿度对离散相尺寸和形状的影响.1 物理模型和控制方程图1 T 型微通道结构示意图1.1 物理模型文中研究的T 型微通道结构如图1所示,离散相从离散相通道进入,连续相从主通道左侧流入,两流体在宽度是D 的T 型通道拐角区域内混合,混合后从主通道右侧流出,其中离散相通道长度是3D ,主通道长度是32D ,D =111μm .1.2 控制方程及边界条件1.2.1 控制方程微通道中流速很小,雷诺数R e =ρc u c D μc ɤ1,说明通道内是黏性不可压缩层流流动,连续性方程和动量方程分别是▽㊃ңu =0(1)∂ңu ∂t +(ңu ㊃▽)ңu =▽㊃[-p ρI +μρ(▽ңu +(▽ңu )T )]+1ρF ңσ+ңg (2)其中ңu 是流体的速度,p 是压强,而流体密度ρ和黏性系数μ分别通过下面方程求出ρ=ρd 1-φ2+ρc 1+φ2(3)μ=μd 1-φ2+μc 1+φ2(4) 下标d 和c 分别表示离散相和连续相,离散相㊁连续相对应的相场变量φ分别是-1,1,两相界面就是相场变量从-1变化到1的区域.相场变量通过对流C a h n -H i l l i a r d 方程求得∂ϕ∂t +ңU ㊃▽ϕ=▽㊃γλε2▽ψ(5) 相场辅助变量ψ=-▽㊃ε2▽ϕ+(ϕ2-1)ϕ,λ是混合能量密度,γ是迁移率,通常设两相界面厚度ε=h c 2,γ=ε2,其中h c 是网格的特征尺寸.λ和表面张力系数σ满足σ=223λε(6) 表面张力F ңσ通过化学势G 求得,F ңσ=G ▽ϕ(7) 其中G =λ[-▽2ϕ+(ϕ2-1)ϕε2]=λε2ψ.经过验证,通道内设置三角形网格的网格数大于11000时,数值模拟结果和网格数无关,故计算中的网格数设置为32472个,并取时间步长是0.0001s .1.2.2 边界条件设离散相和连续相入口流速大小分别是u d 和u c ,方向垂直于通道入口边界;通道出口压强为0P a .两相流体和壁面接触会形成接触角θ,其变化范围为0~π,两相界面单位法向量和接触角满足关系ңn =n ңw c o s θ+t ңw s i n θ(8)式中t ңw ,n ңw 分别是壁面单位切向量和单位法向量.1.2.3 物性设置设置离散相的黏性系数是0.001P a ㊃s ,离散相和连续相的黏度比是0.125,表面张力系数是0.0728N /m.对本文研究的T 型微通道两相流动进行数值模拟发现,离散相和连续相的密度比变化不影响脱离的离散相大小,验证了微通道内可忽略重力的作用[6].设置离散相密度和连续相密度都是1k g/m 3.由布金56第10期王琳琳,等:湿壁面条件下T 型微通道内两相流数值模拟汉-π定理,微通道内离散相的尺寸受到毛细数和流量比的影响,其中毛细数C a =μc u c σ,流量比Q =Q d Q c=u d D u c D =u d u c表示连续相相对离散相的入口流量大小,Q d 和Q c 分别是离散相和连续相入口流量.流量比太大或太小,微通道内易出现平行流,难以形成脱离的离散相,文中取流量比分别为0.125,0.25和0.5.1.2.4 初始条件初始时刻离散相通道内充满离散相,主通道内充满连续相,两相流体都处于静止状态.2 离散相两种形成机理为研究通道内离散相的形成和通道内的流动,对流量比是0.5,毛细数分别是0.006和0.022,接触角是0ʎ的微通道内的两相流动进行模拟,得到脱离后形状稳定的离散相,如图2所示.毛细数是0.006,离散相前后端形状对称,其宽度几乎和主通道宽度相同,离散相和壁面之间仅有少量连续相,离散相的形成受图2 不同毛细数下微通道内形成的离散相到壁面的约束,离散相前端先靠近下壁面,再向主通道下游移动,离散相颈部形成,由于上游连续相的流动被离散相严重阻塞,使离散相后端受到连续相的挤压力增加[7],造成离散相在主通道拐角处断裂,离散相形成中主要受到连续相的挤压力和表面张力的作用,这种形成机理称为挤压机理[6];毛细数是0.022,离散相在通道拐角稍向主通道下游处脱落,脱离的离散相前后端不再对称,类似子弹形状,后端变钝,前端变尖,离散相尺寸减小,对主通道阻塞程度减弱,壁面对离散相的约束减弱,离散相上下表面的连续相层变厚,毛细数增大,说明相对于表面张力黏性力作用增强,形成中的离散相主要受到黏性力㊁连续相的挤压力和表面张力的作用,这种形成机理称为滴落机理[6].经计算发现,文中模型离散相的形成由挤压机理向滴落机理过渡的临界毛细数C a c 是0.012.许多学者采用P I V 测量法观察微通道内速度的分布[8-10].对于两种形成机理,数值模拟得到的微通道内离散相脱离前㊁后流场的变化,如图3所示.在挤压机理下,脱离前时刻,离散相颈部后端连续相的流动受到严重阻碍,连续相挤压离散相颈部,颈部变窄使其内部流体速度增大,并沿颈部表面流动,受到挤压的离散相颈部逐渐变细,在T 型通道拐角处离散相断裂,此时断裂点处形成两个反向的涡流,并垂直于离散相表面.滴落机理下,离散相脱离前,离散相下表面和主通道壁面距离稍增大,离散相后端连续相的流动受阻挡程度减弱,沿主通道下游方向流动,离散相最窄处周围的连续相流动方向和离散相主体部分表面垂直,离散相最窄的表面被挤向主通道上壁面,在T 型微通道拐角的下游离散相脱离,脱离后,连续相的流速增加,但没有涡流产生.图3 两种形成机理下,离散相脱离前㊁后微通道内流场的变化由图3可见,接触角为0ʎ,离散相和壁面间有一薄层连续相,使离散相底部受到黏性力的作用.黏性切应力计算式为τ=μc ∂u /∂y (9) 其中τ是黏性切应力,u 是连续相速度,y 轴垂直于主通道,∂u /∂y 是剪切率.A f k h a m i 等学者在狭窄的通道内放入一细长的离散相,对上下壁面施加相同的速度,数值模拟得到随着毛细数增加,离散相底部壁面上剪切率的变化规律[11].本文得到两种机理下,连续相和壁面完全浸润时,在离散相脱离前和其形状稳定后,离散相底部壁面的黏性切应力变化,如图4所示.在挤压机理下,下壁面的黏性切应力比滴落机理下66西南师范大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b jb .s w u .c n 第38卷的小.脱离前,越靠近离散相底部,壁面上的黏性切应力越大,在距离离散相底部最近的下壁面点处黏性切应力达到最大值,随着毛细数增加,最大值由210P a 增大到360P a .脱离后,离散相下的主通道壁面上黏性切应力变化剧烈,离散相的最前㊁后端对应的壁面点处,黏性切应力取得极大值,并且离散相后端最低点对应的壁面点处黏性切应力最小,离散相底部的壁面上黏性切应力出现波动,随着毛细数增加,黏性切应力最大值由150P a 增大到390P a ,离散相前端壁面黏性切应力逐渐比后端的大,两者之差增至100P a .由此可见,随着毛细数增加脱离前后离散相底部的黏性切应力都增加,而黏性力对离散相表面起到破坏作用,破坏力的增大使离散相更早脱离,造成离散相长度缩短.由于脱离的离散相移动速度比连续相大,黏性力阻碍离散相的移动,较大的黏性力使脱离的离散相前端表面发生更大的变形.图4 两种流动机理下离散相底部受到剪切应力的变化3 接触角对离散相的影响气体㊁液体和壁面接触后,会形成接触角,接触角的大小由两种流体和壁面及流体之间的吸引力而共同决定,Y o u n g 方程给出表面张力系数和接触角间的定量关系[12-13]σS ,G -σS ,L σG ,L =c o s θ(10) 式中σG ,L ,σS ,G ,σS ,L 分别表示气体和液体㊁气体和壁面㊁液体和壁面的表面张力系数,θ表示壁面和液体之间的接触角.将气体换成另一种液体,上式依然成立.接触角的大小反应了液体和壁面的浸润程度,接触角越小,液体和壁面的湿度越大,液体和壁面浸润程度越好,即亲水性越强,θ=0,液体和壁面完全浸76第10期王琳琳,等:湿壁面条件下T 型微通道内两相流数值模拟润;θ=π,液体和壁面完全不浸润.当液体分子和固体壁面的作用势增强,液体表面自由能提高,使其对壁面的附着力增加,造成壁面和液体的接触角减小,增强两者的亲水性,升高温度或增加液体和壁面的作用势都能提高液体和壁面的亲水性[14].接触角的大小影响微通道内离散相的脱离时间[14]和长度[15-16].为考察不同流量比下,两种形成机理中接触角对离散相长度的影响,取流量比分别为0.125,0.25,0.5,毛细数分别为0.006和0.036,得到离散相长度随接触角的变化,如图5所示.图中可见,固定流量比和接触角,毛细数越大,离散相长度越小,同一机理下,流量比越大,离散相越长,接触角在0~20ʎ之间,壁面和连续相超浸润,离散相长度基本不变,接触角大于20ʎ,壁面和连续相浸润,挤压机理下,离散相长度随接触角的增大而明显增大;滴落机理下,随接触角增大,离散相长度的变化很弱.离散相长度和其形成时间有关,滴落机理下离散相形成时间比挤压机理下的短,如图6所示,不同的流动机理下,接触角对离散相形成时间产生不同的影响.挤压机理下,壁面和连续相超浸润,离散相的形成时间几乎不受接触角影响,流量比增大离散相形成时间缩短;壁面和连续相浸润,离散相形成时间随接触角增长,除流量比是0.5㊁接触角是40ʎ外,固定接触角随流量比增加离散相形成时间缩短.滴落机理下,接触角几乎不影响离散相的形成时间,造成这一机理下的离散相长度和接触角大小几乎无关.图5流量比和毛细数对离散相长度的影响图6 接触角对离散相形成时间的影响图7 挤压机理作用大接触角下离散相的形成过程,其中接触角为40ʎ挤压机理下,接触角为40ʎ,流量比为0.5离散相的形成时间比流量比为0.25的长,产生这一现象的原因是离散相的脱离点向主通道下游移动,如图7所示.接触角为40ʎ,连续相和壁面的湿度变小,离散相对壁面的黏性附着力增强,使离散相附着在上壁面上,流量比小,离散相始终黏在上壁面直至脱离,随着流量比增大,同时刻挤入离散相的体积增大,在下壁面的约束作用下,促使体积增大的离散相底部和下壁面接触,这使得离散相和壁面的黏性附着力进一步增加,造成离散相不能在T 型通道拐角处脱离,其脱离点延伸至主通道内,延长了离散相的形成时间.离散相形状稳定后,其前后端表面的曲率半径几乎和流量比无关,仅与形成机理和接触角有关,如图8所示.挤压机理下,接触角增大,离散相前后端表面的曲率半径随之增大,壁面和连续相超浸润,前后端曲率半径大小接近,前后端曲率半径增长程度非常小,此时离散相的形状前后对称;当壁面和连续相浸润时,离散相后端曲率半径大于前端曲率半径,并且随着接触角的增大,离散相后端表面的曲率半径比其前端曲率半径增长程度大,说明此时离散相的形状不再对称.滴落机理下,离散相前后端曲率半径比挤压机理下离散相对应的曲率半径小或接近,并且几乎不受接触角影响,离散相后端曲率半径基本是54.8μm ,比主通道的半径55.5μm 稍小,离散相前端曲率半径比主通道半径小得多,平均长度是34.13μm ,说明滴落机理下,离散相呈前尖后平,其两端形状不随接触角变化而变化.86西南师范大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b jb .s w u .c n 第38卷图8 不同流动机理下,离散相前㊁后端曲率半径的变化4 结论本文通过相场法,在壁面和连续相完全浸润的条件下,模拟两种机理下T 型微通道内的两相流动,得出滴落机理下离散相脱离对流场的影响较大,离散相脱离点周围形成对涡,滴落机理下离散相底部壁面黏性切应力比挤压机理下的大.不同的流量比下,壁面和连续相浸润时,随着连续相和通道壁面浸润程度的减弱,挤压机理下离散相长度和形成时间增加,脱离后的离散相前㊁后端形状逐渐不对称,并且在大流量比下,增大接触角会使离散相的脱离点移至主通道下游.滴落机理下连续相和通道壁面浸润程度对离散相长度㊁形成时间和离散相形状影响较弱.参考文献:[1]G A L B I A T IL ,A N D R E I N I P .F l o wP a t t e r nT r a n s i t i o n f o rH o r i z o n t a lA i r -W a t e r F l o w i nC a p i l l a r y T u b e s :A M i c r o g r a v -i t y E q u i v a l e n tS y s t e m S i m u l a t i o n [J ].I n t e r n a t i o n a lC o mm u n i c a t i o n si n H e a ta n d M a s s T r a n s f e r ,1994,21(4):461-468.[2] V O L K E R TS ,M I C H I E LK ,C H I R SK.μ-P I VS t u d y o f t h eF o r m a t i o no f S e g m e n t e dF l o wi n M i c r o f l u i d i cT -J u n c t i o n s [J ].C h e m i c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e ,2007,62(24):7505-7514.[3] MA R KB ,B R A I NJ ,S U N D A R E S H B ,e t a l .A n I n t e g r a t e dN a n o l i t e rD N A A n a l ys i sD e v i c e [J ].S c i e n c e ,1998,282(5388):484-487.[4] MA N U P ,N E I LG.M i c r o f l u i d i cB u b b l eL o gi c [J ].S c i e n c e ,2007,315(9):832-835.[5] T O O DT ,R I C HA R DR ,F R A N C E SA ,e t a l .D y n a m i cP a t t e r nF o r m a t i o n i naV e s i c l e -G e n e r a t i n g M i c 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S TMA N M,S T O N E H,e t a l.F o r m a t i o no fD r o p l e t s a n dB u b b l e s i n aM i c r o f l u i d i cT-J u n c t i o n-S c a l i n g a n d M e c h a n i s mo fB r e a k-u p[J].L a bo naC h i p,2006,6(3):437-446.[15]S HA Z I AB,J U L I A M,W I L L I AM Z.S i m u l a t i o n so f M i c r o f l u i d i cD r o p l e tF o r m a t i o n U s i n g t h eT w o-P h a s eL e v e lS e tM e t h o d[J].C h e m i c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e,2011,66(20):4733-4741.[16]S H IB,V I J A Y V.M o l e c u l a rD y n a m i c sS i m u l a t i o no f t h eC o n t a c tA n g l eo fL i q u i d so nS o l i dS u r f a c e s[J].J o u r n a l o fC h e m i c a l P h y s i c s,2009,130(3):1-5.[17]S A N GL,HO N G Y,WA N GF.I n v e s t i g a t i o no fV i s c o s i t y E f f e c t o nD r o p l e tF o r m a t i o n i nT-S h a p e d M i c r o c h a n n e l sb yN u m e r i c a l a n dA n a l y t i c a lM e t h o d s[J].M i c r o f l u i d i c s a n dN a n o f l u i d i c s,2009,6(5):621-635.O nN u m e r i c a l S i m u l a t i o no fT w o-P h a s eF l o w i naT-J u n c t i o nM i c r o-C h a n n e l i n W e tW a l l C o n d i t i o nWA N GL i n-l i n1,2, HU H o n g-p i n g11.S c h o o l o fM a t h e m a t i c a l a n dC o m p u t e r E n g i n e e r i n g,X i a nU n i v e r s i t y o f A r t sa n dS c i e n c e,X i a n710065,C h i n a;2.K e y L a b o r a t o r y o f T h e r m a l F l u i dS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g o fM O E,S c h o o l o f E n e r g y a n dP o w e r E n g i n e e r i n g,X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X i a n710049,C h i n aA b s t r a c t:I na p h a s e f i e l dm e t h o d,t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s h a v e b e e n p e r f o r m e d i n t h i s p a p e r t o i n v e s t i-g a t e t h e i n c o m p r e s s i b l e t w o-p h a s e f l o w i n aT-j u n c t i o nm i c r o-c h a n n e l.T h e s q u e e z i n g a n d d r i p p i n g r e g i m e sh a v eb e e no b t a i n e db y c h a n g i n g c a p i l l a r y n u m b e r s a s t h e c o n t i n u o u s p h a s e a n ds o l i dw a l l h a v eb e e nc o m-p l e t e l y c o n t a c t e d.T h ec o n t i n u o u s p h a s e f l o wi s g r e a t i n f l u e n c e d i nt h es q u e e z i n g r e g i m ed u r i n g t h ed i s-p e r s e d p h a s e f o r m a t i o n,a n d t h e s h e a r s t r e s sb e n e a t ht h ed r o p l e t i nt h ed r i p p i n g r e g i m e i s l a r g e r t h a n i n t h e s q u e e z i n g r e g i m eb e f o r e a n d a f t e r t h e d r o p l e t d e t a c h m e n t.W i t hd i f f e r e n t f l o w-r a t e r a t i o s,t h ed r o p l e t l e n g t h i n c r e a s e s a n d t h ed r o p l e t s h a p e i sa s y mm e t r i cw i t hd e c r e a s i n g t h es u r f a c ew e t t a b i l i t y b e t w e e nt h e c o n t i n u o u s p h a s e a n dw a l l i n t h e s q u e e z i n g r e g i m e,a n d t h e d r o p l e t d e p a r t u r e p o s i t i o nm o v e s i n t h e d o w n-s t r e a mi n t h em a i n c h a n n e lw i t h i n c r e a s i n g f l o w-r a t e r a t i o s a n dd e c r e a s i n g t h e s u r f a c ew e t t a b i l i t y.T h e i n-f l u e n c e o f t h e s u r f a c ew e t t a b i l i t y o n t h e d r o p l e t s i z e a n d s h a p e i sw e a k i n t h e d r i p p i n g r e g i m e.T h e r e s u l t s p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r e f f e c t i v e c o n t r o l o f t h ed r o p l e t s i z e i n m i c r o-c h a n n e l sa n dt h em a t e r i a l s c h o i c e f o r t h em a n u f a c t u r i n g m i c r o-d e v i c e s.K e y w o r d s:m i c r o-c h a n n e l;t w o-p h a s e f l o w;c o n t a c t a n g l e;c a p i l l a r y n u m b e r责任编辑周仁惠。

T型微通道内两相流动数值模拟和流场论文

T型微通道内两相流动数值模拟和流场分析摘要：借助相场方法数值模拟t型微通道内两相流动，通过改变毛细数大小，得到三种形成机理下的离散相。

随着毛细数增大，离散相形成过程对微通道内压强和速度的影响减弱。

abstract： the two-phase flow was simulated in a t-junction micro-channel by using the phase field method， and three type droplets were obtained with different capillary number. we found that the influence of droplet formation on pressure and velocity became weak as the capillary number increases.关键词：相场方法；数值模拟；微通道；毛细数key words： phase field method；numerical simulation；micro-channel；capillary number中图分类号：tq021.1 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2012）31-0180-020 引言微通道的尺寸非常小，其通道的宽度一般在之间，流量小[1]，借助微通道可以进行两相流体的混合、纳米粒子合成、蛋白质结晶等。

在化工方面，要求能够控制微通道内化学物质输运的时间和物质空间的分布[2，3]。

近年来，研究者对不同结构微通道内流动的控制产生了极大的兴趣，成为一个重要的研究方向[4]。

雷诺数是惯性力和黏性力之比，微通道内雷诺数小，两相流动受到黏性力的影响，在通道壁面约束下，表面张力和挤压力对离散相的形成起到重要作用。

微通道的制作工艺精度较高，监测通道内流动的设备需要极其微小，这些都使得采用实验研究微流动的难度和费用较大，而数值模拟能够克服这些缺点。

气液两相流在微小T型三通内的相分离特性的开题报告

气液两相流在微小T型三通内的相分离特性的开题报告
1. 研究背景与意义
气液两相流在微小T型三通内的相分离特性在微纳加工、生物医学工程、化工等领域具有广泛的应用。

在微小流道内，流体与界面面积的比值大幅提高，进而影响两
相流动及其相互作用的特性。

因此，研究气液两相流在微小T型三通内的相分离特性，对于深入理解和掌握微小尺度两相流动的规律与行为具有很大的意义。

2. 研究内容和方法
本文拟从流场的角度入手，借助数值模拟方法研究气液两相流在微小T型三通内的相分离现象，具体研究内容包括：
(1)构建气液两相流的物理模型，并建立包含相互作用的Navier-Stokes方程组进行数值模拟。

(2)探究微小T型三通内气液两相流动的基本规律和特性，确定相分离时的流量、液泡大小、液滴分布以及分离效率等。

(3)分析T型三通交汇处压力及流动速度的变化规律，研究内部流场对相分离的
影响。

(4)对比分析不同工艺参数（包括密度、黏度、表面张力、管道通径等）对相分
离效应的影响，探究其相互关系与影响机理。

3. 预期结果和意义
(1)通过数值模拟探究气液两相流在微小T型三通内的相分离效应，深入研究微
观尺度下两相流动的规律与特性。

(2)研究微小T型三通内液滴、液泡的大小及分布，为微流控技术在微生物学、
基因工程等领域的应用提供理论支持。

(3)通过比较不同工艺参数对相分离效应的影响，为微小尺度下工艺的优化提供
理论指导。

(4)深入了解气液两相流在微小尺度下的运动特性，进一步促进微小流场领域的
发展。

对流梯形微通道内气液两相流动的数值研究

成气泡的时间减小。
关键词：微通道；两相流；气泡；数值模拟
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｇａｓ — — ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ— — ｐｈａｓｅｌｆｏｗｉｎａｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎＴ— — ｊｕｎｃｔｉｏｎｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ
ｏｆｓｅｃｔｉｏｎ，ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｓｕ￣ａｃｅｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｌｉｑｕｉｄｖｉｓｃｏｓｉｔｙ．Ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｂｕｂｂｌｅａｎｄｌｉｑｕｉｄｃｏｌ —
ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆＶＯＦ．Ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｕｂｂｌｅｗａｓｉｎｌｆｕｅｎｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈａｓｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｉａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｓｈａｐｅ
（郑州大学热能工程研究中心，郑州４５０００２）
摘要：采用ＶＯＦ方法，对梯形微通道内不可压缩气液两相流动进行了数值模拟研究，详细分析了气泡形成过
程，以及当量直径、截面形状、液体表面张力和粘度等对气泡液柱形成过程和长度的影响，拟合出微通道气泡液柱长度计算公式。结果表明：气泡液柱的长度受表观气速和表观液速的影响较大；表面张力对气泡尺寸的影响较小，当液体粘度增加为水粘度的１０倍时，形成的气泡形状不规则。增大表面张力，形成气泡的时间增加；增大粘度，形

T型毛细管中气液两相流型及Taylor流的数值模拟

T型毛细管中气液两相流型及Taylor流的数值模拟黄乐平;张莹;孙金丛;周敏【摘要】运用FLUENT求解器中的VOF模型对T型毛细管中气液两相流型进行数值求算,模拟出不同气液相表观速率下的各流型变化及Taylor流流动,并考察了气液表观速率、接触角以及毛细管内径对Taylor流流动特性的影响.研究结果表明:通过改变气液两相的表观速率,观察Taylor流中的气液柱长度的变化,发现得到的模拟值和实验值在一定范围内非常吻合;气泡长度和液柱长度分别随着气相表观速率和液相表观速率的增大而变长;随着接触角的增大,Taylor流中气液柱的长度会呈现凹函数的线性变化,但整个过程波动范围均在15％以内,这表明接触角对Taylor流的流动影响不大.【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》【年(卷),期】2016(038)002【总页数】7页(P167-172,204)【关键词】毛细管;流型;Taylor流;接触角;气液柱【作者】黄乐平;张莹;孙金丛;周敏【作者单位】南昌大学机电工程学院,江西南昌330047;南昌大学机电工程学院,江西南昌330047;南昌大学机电工程学院,江西南昌330047;南昌大学机电工程学院,江西南昌330047【正文语种】中文【中图分类】TQ02近年来微型结构设备得以快速发展，已经逐渐成为当代化工研究和运用的一个热门课题，使得微型管中的两相流流动的特性研究逐渐成为一个焦点，尤其是毛细管中的气液两相Taylor流的研究[1-4]。

目前，对于毛细管内气液两相Taylor流的研究主要方法有数值模拟和实验研究2种，实验研究基本上都采用高速照相机进行可视化采集数据[5-6]，而数据模拟软件通常有CFX、Flow-3D和Fluent等，其中运用Fluent模拟得到的结果与实验结果比较接近[7]。

Sur等[8]通过实验研究了垂直毛细管内两相流动力学特性，发现了毛细管的几何形状、水力直径和流体介质的种类对气泡上升速度影响很小。

T型微通道内气液两相流数值模拟

T型微通道内气液两相流数值模拟王琳琳;李国君;田辉;叶阳辉【摘要】采用相场方法,在湿壁面条件下对T型微通道内不可压缩气液两相流动进行了模拟研究.数值模拟中得到微通道内特有气泡——Taylor气泡形成的过程,发现其形成共经历了4个阶段,气泡在形成过程中主要受到挤压力、表面张力、黏性力的作用,分析各阶段这3种力对气泡的作用,得到Taylor气泡形成机理.计算结果表明,挤压力和表面张力在气泡整个形成过程都起作用,表面张力在气泡脱离前达到最小值,黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用并在阻塞阶段取得最大值.这些基本规律为有效控制微通道内气泡尺寸和微通道系统设计提供了一定的依据.%The numerical simulation was performed to investigate the incompressible gas-liquid two-phase flow in a T-junction micro-channel with wetted walls using a phase field method. The formation process including four stages of a well defined Taylor bubble was achieved. The Taylor bubble is exerted by three forces in formation process, I. e. , extrusion force, surface tension force and shear stress force of the continuous phase, and the formation mechanism of the Taylor bubble was obtained. The numerical results show that both the extrusion force and the surface tension force act in the formation process of the Taylor bubble, and the surface tension force reaches a minimum value before detachment The shear stress force acts only in the preceding two stages of the formation process, and it has a maximum value in the blocking stage【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2011(045)009【总页数】5页(P65-69)【关键词】微通道;两相流;数值模拟;相场法;气泡【作者】王琳琳;李国君;田辉;叶阳辉【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TQ021.120世纪 80年代,随着微电子机械系统(M EM S)的提出,MEMS内微通道两相流引起了学者的广泛关注.微通道的特征尺度一般小于1mm,管道内的流动几乎可忽略重力作用,因此微通道内的流动性质和传热特性可“等价于”微重力条件下的情况[1].另外,微型气泡或液滴混合[2]、纳米级粒子的合成[3]、蛋白质结晶[4]、生物鉴定[5]和 DNA 分析[6]等都属于微通道两相流动,使微通道内两相流动问题成为研究的热点.常见的两相混合微通道分为T型、Y型和十字型等,其中T型微通道使用率较高.在T型微通道的两个入口处分别注入气体和液体,当毛细数C a小于10-2时,可规律地产生大小和间距一致且不聚合的Taylor气泡[7],这种气泡流能够降低气泡的轴向混合,加速液柱的循环流动,提高换热和传质能力,减少物质损失[8].Tay lor气泡在形成过程中会受到通道形状、大小的限制,它是微通道内特有的气泡类型,与常规尺度通道内气泡运动相比,微通道内Tay lor气泡在形成过程中阻碍液相流动,使液相压强增大,液相中持续增加的压强是趋使气泡在颈部断裂的主要原因,同时Tay lor气泡还受表面张力、黏性力的影响,这些都使微通道内流动复杂性增加.Taylor气泡的长度影响换热率,许多应用领域要求精确控制微通道内气泡的长度、体积和产生率.因此,研究Tay lor气泡的形成机理,阐明影响因素,对有效控制气泡尺寸等方面具有重要意义.由于微通道尺度极小,通过实验精确观察或测量气泡的变形、脱离,以及气泡脱离后的长度、体积和通道内流场与压强分布难度大[7].随着计算机技术的迅速提高,采用数值模拟研究微通道内的流动成为主要手段,并取得了较大的进展.目前,研究两相流界面运动常用的数值方法有水平集法(LSM)、流体体积函数法(VOF)、标记粒子单元法(MAC)、相场法(PFM)等,这些方法为深入研究微通道内两相流动提供了有效和便利的途径.基于流体自由能量模型的相场方法借助Cahn-Hilliard方程,利用化学势描述两相界面,以分离两种不同的流场,在相场模型中采用标准对流技巧,使得它在使用非结构化网格或有限元技巧模拟中相比其他方法更容易实施,并能够模拟能量耗散流动[9].本文采用相场方法,借助质量守恒方程、N-S方程和Cahn-Hilliard方程,对T型微通道内密度比接近1∶1 000的气水两相流动进行数值模拟,得到Taylor气泡的形成过程,通过分析 Tay lor气泡产生过程中的受力情况和通道内压强分布,总结出微通道内流动特性和气泡产生机理,为微通道气液两相流系统的设计和气泡尺寸控制提供参考.1 物理模型及数值方程1.1 物理模型本文以 T型微通道作为物理模型,如图1所示.气体通道延伸进水平通道的部分称为气液混合区.空气和水分别从管道的上部和左侧进入,在混合区混合,从出口流出,通道直径D为111μm,空气通道长3D,水通道长6D,主管道长28D,混合区宽度为111μm.水和空气的物理性质见表1.图1 T型微通道示意图表1 水和空气的物理性质流体密度/kg·m-3黏性系数/Pa·s表面张力系数/N·m-1水 998 0.001 2空气 1.2 0.000 018 0.072 81.2 控制方程和边界条件1.2.1 控制方程由于水和空气的入口速度不高,Re小,故认为微通道内流动为不可压缩黏性层流流动.连续方程和动量方程分别为式中:U是速度向量;p是压强;密度ρ和动力黏性系数μ由以下方程得到其中下标1、2分别表示空气和水.流体体积分数V1为归一化的相场变量,在-1到1之间变化.空气、水对应的φ分别是-1,1,因此气液界面就是φ从-1变化到 1的区域.φ通过Cahn-Hilliard方程求解式中:相场辅助变量ψ =-▽·ε2▽φ+(φ2-1)φ;γ是迁移率;λ是混合能量密度;ε是两相界面厚度,通常设ε=h2c,γ=ε2,h c为网格的特征尺寸. λ满足以下方程式中:σ是表面张力系数.表面张力Fσ通过以下方程求得式中是化学势.本文工作针对二维微通道两相流进行,计算中采用三角形网格.经验证,当网格数大于11 000时,计算结果与网格数无关,故计算网格数取32 472,时间步长取0.000 2 s.1.2.2 边界条件空气和水的入口速度分别为0.04、0.042m/s,方向垂直于入口边界;出口压强为0 Pa;水和壁面接触会浸润壁面,在气液固交界处形成接触角θ,其变化范围为0～π,θ=0表示壁面与水完全浸润,θ=π表示壁面与水完全不浸润.气液界面单位法向量式中:n w、t w分别是壁面单位法向量和单位切向量.计算中取接触角为36°.1.2.3 初始条件设初始时刻的气体通道内充满空气,整个水平通道内充满水,且微通道内流体都处于静止状态.2 数值结果与机理分析2.1 气泡形成过程气相在气液混合区拐角处断裂,形成的气泡称为Taylor气泡.T型微通道通常分为对流接触通道和错流接触通道两类.对于对流接触的T型微通道,文献[10]将其内 Tay lor气泡的形成分为3个阶段.本文模拟错流接触的T型微通道,图2给出此通道内Taylor气泡的形成过程.通过分析可见,Tay lor气泡在通道内的形成可归纳成4个阶段:(1)气泡进入气液混合区阶段(t=0～0.002 s),随着进气量增加,气泡前端进入气液混合区;(2)阻塞阶段(t=0.002 2～0.004 s),继续增大的气泡几乎阻塞气液混合区,只有少量水从气泡底部流过;(3)塌陷阶段(t=0.004 2～0.008 s),气泡底部和壁面接触,气泡主体部分向主通道下游运动,气泡后端的部分流体向气体通道内运动,气泡被逐渐拉长,在气泡后端出现颈部,随着气泡向下游运动,颈部变细;(4)脱离阶段(t=0.008 2 s),气泡在颈部处断裂,此刻一部分气体收缩回气体通道,另一部分气体收缩回主通道,在主通道内形成两端呈圆形的Taylor气泡.图2 微通道内气泡形成过程2.2 气泡表面作用力的变化特性及机理分析Tay lor气泡在形成过程中主要受到3种力:液体的挤压力、黏性力、表面张力[11],其中挤压力和黏性力对气泡表面起破坏作用,而表面张力起维持作用.2.2.1 压力变化特性及机理分析水的挤压力对T型微通道中Tay lor气泡的形成起到非常重要的作用.下面分析水对气泡作用力的变化规律,水平通道中轴线上的压强分布如图3所示.图3 气泡形成过程中水平通道中轴线上的压强分布由图3可见:在气泡形成的第1阶段,水和气泡内压强逐渐增大,水中压强从 300 Pa 增大到500 Pa,气泡内压强从400 Pa增大到1.55 kPa;在阻塞阶段,水中压强加速增大到1 kPa,气泡内压强出现最大值,约为1.68 kPa,比第1阶段小幅增长,压强最大的区域变宽,说明气泡沿水平通道向下游增长;在塌陷阶段,水中压强较第2阶段继续增大到1.4 kPa左右,气泡内压强开始减小,最终下降到1.43 kPa,这一阶段内气液压强变化小,气液界面附近压差减小,气泡后端开始向下游移动,并且气泡沿水平通道继续向下游增长;在脱离阶段,气泡从颈部脱离,气泡内压强保持脱离前大小,与塌陷阶段相同,水中压强回落至接近第1阶段大小,气泡后端较其前端压强偏高,气泡内外压差约为1.08 kPa.气泡脱离前,液体通道内压强达到最大值,气泡后端内外压差达到最小值.水平通道中轴线上压强变化的原因是:随着气泡前端进入气液混合区,气泡开始阻挡水的流动,水中压强增大,在表面张力作用下,使气泡内外存在压差,出现压强跳跃区;随气泡体积继续增大,气泡对水的流动阻挡作用增强,使水中压强迅速增大;最终增大的压强能够推动气泡主体部分向主通道下游运动,小部分向气体通道内运动,在气泡后端形成颈部,气泡后端表面的曲率半径增大,这样增大了气泡的表面自由能,但消耗了气泡内的压能,使气泡内压强降低,随着气泡向下游运动,缓解了气泡对水的阻塞作用,使水中压强增长缓慢,气泡颈部在水的挤压下变细;最后,气泡在颈部断裂,并在表面张力作用下两端收缩为圆形,气泡内压强保持脱离前的大小,此时水不再受气泡的阻塞,水中压强骤降,回落至初始时刻大小.为考察气泡在产生过程中气体和液体通道内压强的变化情况,在这两通道内分别取线段A-A、B-B(两线段与T型交汇位置的距离均为D,见图1),这两条线段上的压强变化如图4所示.对比图4a、4b中气液通道内的压强变化,可见气体通道内的压强在1.44～1.67 kPa之间变动,压强波动幅度小,与文献[12]中的结论相同.观察图2,气泡始终向水中凸出,即曲率半径 r ＜0,由Young-Lap lace方程Δ P=P g-P l=-σ知,气体r通道内的压强始终高于液体通道内的压强,这与图4中的计算结果一致,克服了气体通道内压强忽高忽低与液体通道内压强的不足.液体通道内压强波动幅度大,与文献[10]结论一致,约为1.2 kPa.2.2.2 气泡表面黏性力作用特性及分析黏性剪切应力与速度梯度成正比,对气泡表面变形起重要作用.气泡在形成过程中的速度分布如图5所示,可看到在气泡形成的第1、2阶段,气泡顶部水的速度方向与壁面平行,由于流道变窄,水的速度增大;在塌陷阶段以后,气泡表面和壁面接触,气泡后端水的速度方向与气泡表面垂直.根据黏性剪切应力与速度梯度之间的关系,后两阶段切应力可忽略,因此气泡表面切应力持续时间约占气泡形成总时间的37.5%.图4 气液通道内的压强变化图5 气泡形成过程中的速度分布为比较前两阶段气泡表面所受切应力的大小,图6给出该两阶段气泡表面到下壁面的速度分布.由此图可知,速度梯度随时间的延长而增大,对应的切应力由5.23 Pa增大到17.8 Pa,最大值在阻塞阶段取得.图6 气泡顶部液体速度分布利用文献[11]中的切应力估算公式τ=μu gap/ε0(其中u gap=Q w/ε0,ε0是气泡表面到壁面的距离,Q w是水的入口流量),可估算得到前两阶段气泡附近剪切应力从1.25 Pa增大到了28.89 Pa.比较前面的计算结果,发现利用切应力估算式得到的数据量级与模拟计算得到的数据量级相同,这说明数值计算结果是合理的.2.2.3 表面张力作用特性及分析表面张力对气泡表面起维持作用,观察图2可知,气泡后端曲率半径逐渐增大,根据Young-Laplace方程知气泡后端内外压差随时间的延长而减小.利用气泡表面的曲率半径,可估算出气泡受到的表面张力.气泡形成的前两阶段,气泡曲率半径接近气体通道的半径,表面张力约为1 324 Pa;在塌陷阶段,气泡后端出现颈部,其后端曲率半径继续增大,脱离前达到最大值,此刻后端所受表面张力最小.3 结论本文采用相场方法,对T型微通道中特有的气泡——Tay lor气泡在水中的形成过程进行数值模拟,得到气泡形成中经历的4个阶段.通过分析对气泡表面起主要作用的挤压力、表面张力和黏性力,发现微通道内流体挤压力和表面张力在气泡形成的整个过程都起作用,水对气泡的挤压力随时间的延长而增大,在气泡脱离前达到最大值;气泡后端所受表面张力随时间递减,塌陷阶段达到最小值;黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用,较前两种力小2～3个量级,在气泡形成后两阶段可忽略不计,水的流动受到扩张气泡阻碍,产生逐渐增大的挤压力是使得气泡从颈部脱离的主要原因.本文工作为设计微通道系统和控制微通道内气泡尺寸提供了新的依据.参考文献:【相关文献】[1] GALBIATIL,ANDREIN IP.Flow pattern transition for horizontal air-water flow in capillary tubes:a m icrogravity equivalent system simulation[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,1994,21(4):461-468.[2] TICE D,SONG H,LYON D,et al.Formation of drop lets and m ixing in mu ltiphasem icrofluidics at low values of the Reyno lds and the capillarynumbers[J].Langmuir,2003,19(22):9127-9133.[3] GUNTHER A,KHANS A,THALMANN M,et al.Transport and reac tion in m icroscale segmented gasliquid flow[J].Lab Chip,2004,4(4):278-286.[4] ZH ENG B,TICE D,ISM AGILOV F.A microf luidic system for screening p rotein crystallization conditions inside nanoliter drop lets with on-chip X-ray diffraction[J].M icro Total Analysis Systems,2005,2(297):145-147.[5] SRINIVASAN V,PAM ULA K,FA IR B.An integrated digitalm icro fluidic lab-on-a-chip for clinical diagnostics on human physiological fluids[J].Lab Chip,2004,4(4):310-315.[6] BURNS A,JOHNSON N,BRAHMASANDRA N,et al.An integrated nano liter DNA analysis device[J].Science,1998,282(5388):484-487.[7] 王昆,王嘉骏,顾雪萍,等.微通道内 Tay lor流的计算流体力学数值模拟研究进展[J].化工进展,2010,29(10):1806-1810.WANG Kun,WANG Jiajun,GU Xueping,et al.Progress in modeling of Taylor flow within microchannels by computational fluid dynam ics[J].Chem ical Industry and Engineering Progress,2010,29(10):1806-1810.[8] LIU H,ZHANG Y.D roplet formation in a T-shaped microfluidic junction[J].Journal o f App lied Physics,2009,106(3):1-6.[9] JACQM IN D.Calculation of tw o-phase Navier-Stokes flow s using phase-fieldmodeling[J].Journal of Computational Physics,1999,155(1):96-127.[10]DA I L,CA IW,XIN F.Numerical study on bubble formation o f a gas-liquid flow in a T-junction m ic rochannel[J].Chem ical Engineering and Technology,2009,32(12):1984-1991.[11]GARSTECK IP,FUERSTMAN J,STONE A,et al.Formation of drop lets and bubbles in am icrofluidic T-junction:scaling and mechanism of break-up[J].Lab on a Chip,2006,6(3):437-446.[12]KASH ID N,RENKEN A,K IWI-M INSKER L.CFD modelling o f liquid-liquid mu ltiphase m ic rostructured reactor:slug flow generation[J].Chemical Engineering Research and Design,2010,88(3):362-368.。

微通道内气液两相流型的数值模拟

模型。本文对微通道内气液两相波纹流、环状流和弹状流进行模拟，采用ＶＯＦ界面追踪方法来描述气液
相界面，并考虑了表面张力和重力的影响，并建立了预测微通道内气液两相流型的数值模型。通过与已有
文献中的实验数据对比，验证了模型的可靠性。［关键词］微通道换热器；气液两相流型；数值模型；实验验证
第３４卷第４期２０１４年８月
制冷技术
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌＯｆＲｅ仃ｉｇｅｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏ１．３４．ＮＯ．４Ａｕｇ．２０１４
微通道内气液两相流型的数值模拟
ＰＡＮＬｉａｎｇ．Ｇａｏ，ＸＵＣｈｅｎ，ＢＯＸｉａｎｇ．ｈｕａ，ＺＨＡＮＧＥｒ－Ｘｉｎ
（１－ＮａｖｙＭｉｌｉｔａｒｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＯｉｃｆｅｆｏｒＳｐａｃｅｌｆｉｇｈｔＥｌｅｃｔｒｏ — ｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｉｎＮａｎｊｉｎｇＤｉｓｔｒｉｃｔ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１０００３，Ｃｈｉｎａ；
ＩＡｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｏｋｎｏｗｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆｇａｓ — ｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｌｆｏｗｐａｔｔｅｎｒｏｎｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｍｉｃｒｏ — ｃｈａｎｎｅｌ

T型管内两相流数值模拟探析

Science and Technology&Innovation┃科技与创新2022年第01期文章编号：2095－6835（2022）01－0027－03T型管内两相流数值模拟探析门嘉铖（西安石油大学，陕西西安710000）摘要：随着能源危机的出现，油田开发、勘探、开采工作正在向着较为复杂的领域深入发展。

近几年，一方面，加大了对油田勘探理论的研究，提高了开采技术的研发设计水平；另一方面，由于大部分油田开采工作已经进入到中期阶段以及后期阶段，多年注水开采的累积，使新采油气含水率正在逐渐增加，为了有效化解此类问题，油田企业应用了T型集输管路方案。

以此为出发点，选取T型管内两相流数值模拟探析作为研究题目，概述了T型管应用中存在的问题，并以此为基础，分别从建立模型、网格划分模拟设置、结果讨论方面，对T型管内两相流数值模拟情况进行了具体分析。

关键词：油田开发；T型管；两相流；数值模拟中图分类号：TE862文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2022.01.009现阶段，通过对T型管的应用经验总结与研究结果分析，发现不同的结构能够产生差异化的局部损失：一方面，会增加运输费用；另一方面，会对油气产生一定的浪费。

以大庆油田为例，在油田油水混输过程中，其中的含水量已经大于80%[1]。

不仅提高了油田开采成本，也不利于节能目标的实现。

当前，在T型管内油水两相流数值模拟方面的工作开展相对较好，已经积累了一些数据，有利于为后续的管路结构优化提供参考依据。

另外，在两相流动数值模拟过程中，模拟软件的使用，也提高了数值模型的精准性与模拟的高效性。

因此，总体上的研究成果较大。

具体分析如下。

1两相流理论与实验技术概述当并联配管内的两相流动出现分配差异现象时，在根本上是由T型管内两相流分配差异所致。

因而在现代核能发电、石油开采行业中对于T型管内两相流分的研究相对较多。

以石油开采为例，当管网中通过高温高压水蒸汽时，于闷井操作条件下易出现油井水蒸汽干度高、充满高温热水的现象，此时容易导致原油开采量下降、闷井操作效率下降等情况[2]。

T型微通道内两相流流型及相分离特性

T型微通道内两相流流型及相分离特性周云龙;刘博;刘袖;尚达【摘要】With nitrogen gas and water as working fluid, visualization experiments was carried out to study the characteristics of the two-phase flow in a micro-T-junction with a micro-channel cross section of 100μm×800 μm. Slug flow, slug-annular flow, annular flow, stratified flow and churn flow were observed, and the flow pattern map and flow pattern transition boundaries were obtained. By comparing the results of slug, annular and stratified flow, it was showm that the phase splitting characteristics of the two-phase flow in a micro-T-junction was highly dependent on the inlet flow pattern. When the inlet flow was slug, the gas preferentially entered the side branch; when the inlet flow was annular, the liquid preferentially entered the side branch; when the inlet flow was stratified, the gas completely entered to one branch. The effect of velocity on the phase splitting for all flow patterns was: the liquid taken off decreased with the increase of liquid flow rate, and there was very little effect of the inlet gas flow rate on the liquid take off.%以氮气和水为工作流体,在矩形截面为100 μm×800 μm的T型微通道内进行了气液两相流可视化实验,观测到弹状流、弹状-液环流、环状流、分层流和搅拌流,得到了流型图和流型转换界限.通过对比对弹状流、环状流和分层流相分离实验结果,证明在T型微通道内气液两相流相分离特性受上游流型影响.上游流型为弹状流时,气体优先从侧支管采出:上游流型为环状流时,液体优先从侧支管采出:上游流型为分层流时,气体只从其中一条支管中采出.当流型一定时,液相采出分率随着入口液体速率增加而减小,而气体速率变化对液相采出分率影响不大.【期刊名称】《化学反应工程与工艺》【年(卷),期】2012(028)004【总页数】6页(P300-305)【关键词】T型微通道;气液两相流;流型;相分离【作者】周云龙;刘博;刘袖;尚达【作者单位】东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012;吉林省电力有限公司电力科学研究院,吉林长春130000【正文语种】中文【中图分类】O359.1T型微通道作为一种特殊形式的微型管道，广泛应用于电子冷却、化工工艺、基因工程等领域。

微灌滴头微通道内流流场实验研究与数值模拟

微灌滴头微通道内流流场实验研究与数值模拟微灌滴头微通道内流流场实验研究与数值模拟摘要：微灌滴头是一种在农田灌溉中广泛应用的微灌装置，它能够精确地调控水量和灌溉频率，实现对植物根系区域的定量水分供给。

为了深入了解微灌滴头内部的流动特性，本文通过实验研究与数值模拟相结合的方法，对微灌滴头微通道内的流动场进行了研究。

实验结果表明，在一定的入口流量条件下，微灌滴头微通道内的液体流动具有复杂的流动结构和速度分布规律。

数值模拟结果与实验结果吻合较好，验证了数值模拟方法的准确性和可行性。

关键词：微灌滴头；微通道；流动结构；速度分布；数值模拟引言：微灌灌溉是一种高效节水的农田灌溉方式，它能够准确控制水量和灌溉频率，提高水资源利用效率，保护环境。

微灌滴头作为微灌系统的核心装置，对灌溉效果起着至关重要的作用。

然而，目前对于微灌滴头内部液体流动的研究仍然相对较少，对于微灌滴头内部的流动机理和规律还存在一些疑问和争议。

因此，本文通过实验研究与数值模拟相结合的方法，对微灌滴头微通道内的流动场进行深入研究，旨在为优化微灌滴头设计和提高灌溉效果提供理论依据和技术支持。

实验研究：本文在实验室中利用高精度仪器和设备，对微灌滴头微通道内的液体流动进行了实验研究。

实验过程中，通过改变入口流量和压力条件，观察和记录微灌滴头内部的流动情况。

实验结果显示，在一定的入口流量条件下，微灌滴头微通道内的液体流动呈现出不同的流动结构和速度分布。

首先，当入口流量较小时，液体在微灌滴头微通道内呈现出较为均匀的流动状态。

流动速度较小且整体稳定，没有明显的涡流或涡旋现象。

此时，流动速度主要受到液体的黏性和微通道的摩擦阻力等因素影响。

其次，当入口流量逐渐增大时，微灌滴头内部的流动结构开始出现变化。

在某些位置和区域，液体速度逐渐增大，形成流动速度梯度。

此时，液体流动出现较强的旋转和涡流现象，流动结构较为复杂。

这是由于入口流量的增加导致液体的惯性力增大，从而产生了旋转和涡流。

水平T型管中油水两相流流动数值模拟研究

Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２５Ａｐｒｉｌ２０１３；ｒｅｖｉｓｅｄ２５Ｊｕｎｅ２０１３；ａｃｃｅｐｔｅｄ１０Ｊｕｌｙ２０１３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｍａｎｙｈｅａｖｙｏｉｌｆｉｅｌｄｓａｎｄｏｉｌｆｉｅｌｄｓｗｉｔｈｈｉｇｈｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｉｎｏｕｒ
（１．ＬｉａｏｎｉｎｇＳｈｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＦｕｓｈｕｎＬｉａｏｎｉｎｇ１１３００１，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ）
摘
要：针对我国稠油油田较多和油田含水率高的特点，运用ＶＯＦ多相流模型对地面集输管网中较为常见
的水平Ｔ型管内油水两相流流动进行数值模拟。给定条件下中质稠油含水率为８Ｏ，流速１．５ｍ／ｓ，模拟结果为油
第２６卷第５期
２０１３年ｌＯ月
石
油
化
工
高
等
Байду номын сангаас

T型微通道反应器内气液两相流及气液固多相流模拟研究

T型微通道反应器内气液两相流及气液固多相流模拟研究孙冰【期刊名称】《《安全、健康和环境》》【年(卷),期】2019(019)002【总页数】7页(P37-43)【关键词】微通道; 两相流; 网格气泡【作者】孙冰【作者单位】中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室山东青岛266071【正文语种】中文0 前言微流体控制技术是指微米或纳米尺度的低维通道结构中，控制体积为皮升或纳升的液体进行流动并传质传热的技术。

微流体反应器的反应尺度小，比表面积大，传质传热迅速彻底，可以精确控制反应过程和条件，在化工合成、生物检测领域获得了广泛的应用。

微流体反应器(或微通道反应器，简称微反应器)中物料能够迅速混合、反应，且反应产生的热量能够迅速被移除。

反应器尺寸小，比表面积大，反应生成的自由基在与管壁的不断碰撞中被猝灭，火焰难以传播。

即使氢氧混合后发生了爆炸，由于涉及物料量少，爆炸释放的能量少，对周围环境和人员造成的损伤也较小，能够极大地降低危险工艺过程的风险。

因此，微反应技术逐渐成为一种本质安全化的新型化工技术。

强放热或吸热多相催化反应对反应器传热性能要求较高，往往需要采用较细的反应管。

而管内的高流速和压降又要求颗粒尺寸不能过小，一般为2～10 mm[1]，管径与颗粒直径的比在4<N<15较为理想。

但在一些实验室条件下会出现N<4的情况[2-5]，此时壁面效应较为明显，将固定床看作平推流来处理往往效果不理想[6]。

近年来，人们开始利用CFD(Computational Fluid Dynamics)作为工具获取填充床中流体具体流动及标量传递的信息[7-10]，尤其是模拟固定床在低颗粒雷诺数(Re<1000)以及低管径与颗粒粒径比率(2<N<8)下的流动和传递过程[11]。

其中的难点之一就是固定床反应器中催化剂颗粒与颗粒以及颗粒与壁面间接触点处网格的处理问题。

这种逐渐无限趋近于零的缝隙，很容易由于接触点处扭曲度或者增长率太大等问题导致模拟过程不稳定，模拟结果误差大。

微通道内气液两相Taylor流数值模拟

微通道内气液两相Taylor流数值模拟
冯斐斐;王晓丹;管星星;夏良苗
【期刊名称】《山西化工》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】本文采用FLUENT软件对T型微通道内气液两相Taylor流进行模拟,得
到了各物理参数对Taylor流的影响规律。

在此基础上,采用最小二乘法进行拟合,得到了可以更准确预测T型通道内气液两相Taylor流气泡和液柱长度的经验关联式。

【总页数】3页(P132-134)
【作者】冯斐斐;王晓丹;管星星;夏良苗
【作者单位】中国化学赛鼎宁波工程有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ05
【相关文献】
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价值工程———————————————————————基金项目：西安市科技计划项目（CXY1134WL09）。

作者简介：王琳琳（1981-），女，陕西西安人，西安文理学院数学与计算机工程学院，讲师，西安交通大学能动学院博士生，研究方向为微通道内的两相流动。

0引言微通道的尺寸非常小，其通道的宽度一般在之间，流量小[1]，借助微通道可以进行两相流体的混合、纳米粒子合成、蛋白质结晶等。

在化工方面，要求能够控制微通道内化学物质输运的时间和物质空间的分布[2，3]。

近年来，研究者对不同结构微通道内流动的控制产生了极大的兴趣，成为一个重要的研究方向[4]。

两相流动问题常见的数值模拟方法有：标记网格方法（MAC ），水平集方法（level set method ），相场方法（phase field method ），VOF 法，格子布尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method ）等，在这些的数值方法中，相场方法利用自由能量描述两相流体的界面，模拟中采用非结构化网格时容易实施，对流场的计算中不用重新初始化，物质的质量损失较小，控制方程中的变量具有一定物理意义，并能够模拟能量耗散的流动[5]。

本文采用相场方法，数值模拟工程中常见的错流接触T 型微通道内离散相的形成过程，研究微通道内压强和流场的变化特点。

1控制方程连续性方程和动量方程为：塄·v 軆=0坠v 軆坠t +（v 軆·塄）v 軆=塄·[-p ρI+μρ（塄v 軆+（塄v 軆）T ]+1ρF 軋σ+g 軆軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋，其中v 軆是速度向量，p 是压强，ρ是密度，μ是动力粘性系数，F 軋σ是表面张力，σ是表面张力系数。

由相场理论知，两流体间的相互作用可用自由能量密度f mix （准，塄准）=1λ塄准2+f 0（准）来表示，式中的第一项1λ塄准2是两相流体界面内的能量密度，第二项f 0（准）=λ4∈2（准2-1）2是各个流体的块能量密度，λ是混合能量密度的参数，∈表示两流体界面的厚度，准是相场变量，微通道内离散相和连续相对应的准值分别是-1和1，准在-1和1之间变化对应的区域就是两相界面，自由能量密度反映了两相流体间的相互作用。

对自由能量密度在计算区域内积分，得到自由能F ，即F=乙vf mix dv ，F 关于相场变量的变化率是化学势G ，即G=坠F 坠准，由自由能的定义可得到，G=f ′0（准）-λ塄2准。

Vander Waals 假定流场中自由能最小处就是平衡的两相界面，因此两相界面满足方程坠F 坠准=0。

通过计算可得到平衡的一维两相界面的表达式是准（x ）=tanh （x 2姨∈）。

平衡两相界面单位长度的自由能理解成表面张力系数[6]，即σ=λ+∞-∞乙1（d 准）2+f 0（准）dx ，结合前面的定义和公式，得到表面张力系数、两相界面厚度和混合能量密度的关系式σ=22姨3λ∈。

表面张力可用化学势表示：F σ姨=G 塄准。

上面方程组结合Cahn-Hilliard 对流方程坠准坠t+v 軆·塄准=塄·（γ塄G ）就是计算微通道内两相流动的控制方程。

2T 型微通道内离散相的形成研究的物理模型是T 型微通道，通道宽度D=111μm ，离散相通道和主通道垂直，两通道长度分别是3D 和45D ，离散相和连续相分别从垂直方向和水平方向同时注入通道，在一定条件下形成间距固定的离散相。

微通道内可忽略重力作用，为简化计算，设置两相流体密度相同，表面张T 型微通道内两相流动数值模拟和流场分析Numerical Simulation of Two-phase Flow and Flow Field Analysis in a T-junction Micro-channel王琳琳①②WANG Lin-lin ；胡洪萍①HU Hong-ping（①西安文理学院，西安710065；②西安交通大学，西安710049）（①Xi'an University o f Arts and Science ，Xi'an 710065，China ；②Xi'an Jiaotong University ，Xi'an 710049，China ）摘要：借助相场方法数值模拟T 型微通道内两相流动，通过改变毛细数大小，得到三种形成机理下的离散相。

随着毛细数增大，离散相形成过程对微通道内压强和速度的影响减弱。

Abstract:The two-phase flow was simulated in a T-junction micro-channel by using the phase field method,and three type droplets were obtained with different capillary number.We found that the influence of droplet formation on pressure and velocity became weak as the capillary number increases.关键词：相场方法；数值模拟；微通道；毛细数Key words:phase field method ；numerical simulation ；micro-channel ；capillary number 中图分类号：TQ021.1文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0180-02·180·Value Engineering力系数设为0.0728N/m，离散相黏度系数0.001Pa.s，两流体黏度比是1/8，接触角是0°，通道入口设置成速度入口，出口压强设为0Pa。

毛细数Ca=μc v c/σ表示黏性力和表面张力的比值，式中下标c表示连续相，毛细数的变化会影响微通道内离散相的形成，如图1所示。

毛细数非常小（Ca=0.006）时，离散相在微通道的T型拐角处脱离，脱离的离散相前后两端收缩成对称形状，其余的离散相收缩回离散相通道的出口，这一毛细数下形成的离散相大小和长度最大，离散相几乎和主通道宽度相同，离散相的这种形成机理被称为挤压机理[1，7]；毛细数进一步增加（Ca=0.022），离散相的脱离点稍向T型拐角的下游移动，脱离的离散相尺寸和长度有所减小，形状不对称的离散相呈现前端尖后端圆，类似子弹状，这种形成机理被称为滴落机理[1]；毛细数取较大值时（Ca=0.1），离散相的脱离点远离T型拐角处，并随着离散相个数的增加，脱离点持续向主通道下游移动较长的距离，最后形成的离散相的后端出现明显的平行于主通道的分层流动，上层是离散相，下层是连续相，脱离的离散相的长度和宽度明显减小，离散相和主通道周围壁面的间距增大，说明离散相对主通道流动的阻塞变弱，这一形成机理被称为射流机理[1]。

3微通道内压强和流场的变化离散相通道出口的压强几乎不随时间变化[1]，此处仅考察连续相通道出口压强的变化。

连续相通道出口中点压强变化幅度和毛细数有关，如图2所示，T0是离散相的形成周期，图中可见，毛细数越小，在离散相形成过程中压强变化幅度越大，这一现象也反映了挤压机制下连续相出口挤压力对离散相的形成起重要作用，滴落机制下，挤压力作用减弱，而在射流机制下，离散相的形成和连续相挤压力几乎无关，离散相表面的不稳定性是离散相脱离的主要原因。

离散相的脱离对微通道内流场产生影响，如图3所示。

小毛细数下，脱离前颈部离散相的速度和其表面平行，离散相后端连续相的流速和离散相表面垂直，离散相在颈部断裂后，脱离点处形成方向相反的一对涡，并和离散相表面垂直；随着毛细数增加，离散相脱离前后流场的变化减弱，脱离点处的速度越接近主通道中轴线的方向。

4结论本文模拟T型微通道内两相流动，在不同毛细数下，得到三种类型的离散相，离散相形成的周期内，连续相出口压强变化幅度随毛细数增大而减小，小毛细数下，离散相脱离点处的流速在其脱离前后变化剧烈，并出现涡流，毛细数增大，离散相脱离对流场影响变弱。

参考文献：[1]M. D.Menech,P.Garstecki, F.Jousse,H. A.Stone. Transition from squeezing to dripping in a microfluidic T-shaped junction[J].Journal of Fluid Mechanics,2008,595.[2]H.A.Stone,A.D.Stroock,A.Ajdari.Engineering flows in small devices:microfluidics toward a lab-on-a-chip[J].Annual Review of Fluid Mechanics,2004,36.[3]T.Squires,S.Quake.Microfluidics:fluid physics at the nanoliter scale[J].Reviews of Modern Physics,2005,77.[4]Shazia Bashir,Julia M.Rees,William B.Zimmerman. Simulations of microfluidic droplet formation using the two-phase level set method[J].Chemical Engineering Science,2011,66.[5]Jacqmin D.Calculation of two-phase Navier-Stokes flows using phase-field modeling[J].Journal of Computational Physics, 1999,155.[6]J.S.Rowlinson,B.Widom.Molecular Theory of Capillarity [M].Clarendon Press,1989.[7]Xiao-Bin Li,Feng-ChenLi,Juan-Cheng Yang,Haruyuki Kinoshit,Masamichi Oishi,Marie Oshima.Study on the mechanism of droplet formation in T-junction microchannel[J].Chemical Engineering Science,2012,69.·181·。