Экспериментальное исследование гидродинамики и массообмена в микроканалах для проектирования микрореакторов и микроэкстракторов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Разработка проточных однофазных и двухфазных микрореакторов и микроэкстракторов требует информации о гидродинамике течений в таких устройствах: распределениях скорости и завихренности, эффективности перемешивания, режимах двухфазного течения и их влияния на коэффициент массообмена. В работе представлены исследования локальных гидродинамических характеристик течения и процессов массообмена в микроканалах Т-типа с применением экспериментальных панорамных оптических методик. Для однофазного проточного микрореактора измерены поля скорости и поля концентрации. Показана интенсификация перемешивания при переходе в “захватывающий” режим течения. Для двухфазных микрореакторов с различным набором несмешивающихся жидкостей визуализированы режимы течения, предложен безразмерный комплекс для обобщения экспериментальных данных. Показано, что нейросетевые алгоритмы, обученные на большой выборке, позволяют с высокой точностью (до 98%) предсказывать режимы течения. Исследован снарядный режим течения с наложением внешних пульсаций давления дисперсной фазы. Показано, что поле скорости внутри снаряда меняется периодически, что может быть использовано для интенсификации массопереноса. С помощью метода лазерно-индуцированной флуоресценции с микронным разрешением (micro-LIF) проведено исследование локального массообмена в двухфазном микроэкстракторе.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Ягодницына

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: yagodnitsinaAA@gmail.com
Россия, Новосибирск

А. В. Ковалев

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: yagodnitsinaAA@gmail.com
Россия, Новосибирск

А. В. Бильский

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: yagodnitsinaAA@gmail.com
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Abdollahi A., Sharma R.N., Vatani A. Fluid flow and heat transfer of liquid-liquid two phase flow in microchannels: A review // Int. Commun. Heat Mass Transf. 2017. V. 84. P. 66–74. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2017.03.010
  2. Zhao Y., Chen G., Yuan Q. Liquid-Liquid Two-Phase Flow Patterns in a Rectangular Microchannel // AIChE J. 2006. V. 52. P. 4052–4060.
  3. Foroughi H., Kawaji M. Viscous oil-water flows in a microchannel initially saturated with oil: Flow patterns and pressure drop characteristics // Int. J. Multiph. Flow. 2011. V. 37. P. 1147–1155. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2011.06.004
  4. Waelchli S., Rudolf von Rohr P. Two-phase flow characteristics in gas–liquid microreactors // Int. J. Multiph. Flow. 2006. V. 32. P. 791–806. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2006.02.014
  5. Kashid M., Kiwi-Minsker L. Quantitative prediction of flow patterns in liquid-liquid flow in micro-capillaries // Chem. Eng. Process Process Intensif. 2011. V. 50. P. 972–978. https://doi.org/10.1016/j.cep.2011.07.003
  6. Garstecki P., Fuerstman M.J., Stone H.A., Whitesides G.M. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction - Scaling and mechanism of break-up // Lab Chip. 2006. V. 6. P. 437–446. https://doi.org/10.1039/b510841a
  7. De Menech M., Garstecki P., Jousse F., Stone H.A. Transition from squeezing to dripping in a microfluidic T-shaped junction // J. Fluid Mech. 2008. V. 595. P. 141–161. https://doi.org/10.1017/S002211200700910X
  8. Xu J.H., Li S.W., Tan J., Luo G.S. Correlations of droplet formation in T-junction microfluidic devices: From squeezing to dripping // Microfluid Nanofluidics. 2008. V. 5. P. 711–717. https://doi.org/10.1007/s10404-008-0306-4
  9. Dore V., Tsaoulidis D., Angeli P. Mixing patterns in water plugs during water / ionic liquid segmented flow in microchannels // Chem. Eng. Sci. 2012. V. 80. P. 334–341. https://doi.org/10.1016/j.ces.2012.06.030
  10. Anna S.L., Bontoux N., Stone H.A. Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. P. 364–366. https://doi.org/10.1063/1.1537519
  11. Ma S., Sherwood J.M., Huck W.T.S., Balabani S. On the flow topology inside droplets moving in rectangular microchannels // Lab Chip. 2014. V. 14. P. 3611–3620. https://doi.org/10.1039/C4LC00671B
  12. Abiev R.S., Butler C., Cid E. et al. Mass transfer characteristics and concentration field evolution for gas-liquid Taylor flow in milli channels // Chem. Eng. Sci. 2019. V. 207. P. 1331–1340. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.07.046
  13. Abiev R.S. Mathematical model of two-phase Taylor flow hydrodynamics for four combinations of non-Newtonian and Newtonian fluids in microchannels // Chem. Eng. Sci. 2022. V. 247. P. 116930. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.116930
  14. Ягодницына А. Создание системы онлайн-мониторинга режима течения несмешивающихся жидкостей в микроканалах. In: XXXVIII Сибирский теплофизический семинар, посвященный 65-летию Института теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых ученых. Труды конференции. Новосибирск, 2022. C. 329–332.
  15. Santiago J.G., Wereley S.T., Meinhart C.D. et al. A particle image velocimetry system for microfluidics // Exp. Fluids. 1998. V. 25. P. 316–319. https://doi.org/10.1007/s003480050235
  16. Ахметбеков Е.К., Бильский А.В., Ложкин Ю.А. и др. Система управления экспериментом и обработки данных, полученных методами цифровой трассерной визуализации (ActualFlow) // Вычислительные методы и программирование. 2006. № 7. С. 79–85.
  17. Yagodnitsyna A.A., Kovalev A.V., Bilsky A.V. Flow patterns of immiscible liquid-liquid flow in a rectangular microchannel with T-junction // Chem. Eng. J. 2016. V. 303. P. 547–554. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.06.023
  18. Kovalev A.V., Yagodnitsyna A.A., Bilsky A.V. Determination of the transition boundary between segmented and continuous flow patterns in microfluidic liquid-liquid flows using dimensional analysis // Thermophys. Aeromechanics. 2021. V. 28. P. 827–833. https://doi.org/10.1134/S086986432106007X
  19. Tsaoulidis D., Dore V., Angeli P. et al. Flow patterns and pressure drop of ionic liquid-water two-phase flows in microchannels // Int. J. Multiph. Flow. 2013. V. 54. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2013.02.002
  20. Darekar M., Singh K.K., Mukhopadhyay S., Shenoy K.T. Liquid-liquid two-phase flow patterns in Y-junction microchannels // Ind. Eng. Chem. Res. 2017. V. 56. P. 12215–12226. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b03164
  21. Chawla N.V., Bowyer K.W., Hall L.O., Kegelmeyer W.P. SMOTE: synthetic minority over-sampling technique // J. Artif. Intell. Res. 2011. V. 16. P. 321–357. https://doi.org/10.1613/jair.953
  22. Theunissen R., Stitou A., Riethmuller M.L. A novel approach to improve the accuracy of PTV methods. 12th Int Symp Appl Laser Tech to Fluid Mech Lisbon, Port 12–15, 2004.
  23. Akhmetbekov Y.K., Markovich D.M., Tokarev M.P. Study of the PTV method with individual particle correlation correction // Comput. Technol. 2010. V. 15. P. 57–72.
  24. Ковалев А.В., Ягодницына А.А., Бильский А.В. Влияние синусоидальных пульсаций расхода дисперсной фазы на характеристики течений вязких несмешивающихся жидкостей в микроканале Т-типа // Прикладная механика и техническая физика. 2023. Т. 64. № 3. С. 20–31. https://doi.org/10.15372/pmtf202215175
  25. Danckwerts P.V. The definition and measurement of some characteristics of mixtures // Appl. Sci. Res. Sect. A. 1952. V. 3. P. 279–296. https://doi.org/10.1007/BF03184936
  26. Minakov A., Yagodnitsyna A., Lobasov A. et al. Study of fluid flow in micromixer with symmetrical and asymmetrical inlet conditions // La Houille Blanche. 2013. P. 12–21. https://doi.org/10.1051/lhb/2013038
  27. Yagodnitsyna A.A., Kovalev A.V., Bilsky A.V. Ionic liquid-water flow in T-shaped microchannels with different aspect ratios // Chem. Eng. Res. Des. 2020. V. 153. P. 391–400. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.11.008
  28. Tsaoulidis D., Dore V., Angeli P. et al. Flow patterns and pressure drop of ionic liquid-water two-phase flows in microchannels // Int. J. Multiph. Flow. 2013. V. 54. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2013.02.002

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальный стенд для исследования гидродинамики и массообмена в однофазных и двухфазных течениях в микроканальных устройствах.

Скачать (534KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема освещения и съемки для проведения визуализации режимов течения в микроканалах.

Скачать (88KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Примеры характерных режимов течения ионная жидкость – вода в микроканале Т-типа: а) снарядный режим, б) капельный режим, в) параллельный режим, г) кольцевой режим с волновой границей [27].

Скачать (265KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Границы перехода между сегментированными (снарядный и капельный) и непрерывными (параллельный и кольцевой) режимами двухфазного течения в микроканале Т-типа для различных наборов несмешивающихся жидкостей, в том числе данные других авторов [2, 28].

Скачать (178KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Матрица несоответствий фактических и прогнозируемых значений искусственной нейронной сети для классификации режима течения несмешивающихся жидкостей в Т-образных микроканалах для тестового набора данных.

Скачать (258KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Поля скорости и линии тока внутри снарядов дисперсной фазы при наложении внешних возмущений на поток. Измерения выполнены в различные фазы колебаний сигнала возмущения.

Скачать (412KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Калибровочная кривая зависимости интенсивности флуоресценции от концентрации красителя в экстрагенте.

Скачать (96KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Поля концентрации в перемычках несущей фазы на различных расстояниях от входа в Т-образный микроканал при вариации расходов несущей и дисперсной фаз.

Скачать (383KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Эффективность экстракции в снарядном режиме течения в зависимости от времени пребывания.

Скачать (142KB)
Метаданные
11. Рис. 10. а) нормированные на среднерасходную скорость профили скорости в центральном сечении Т-микромиксера при различных числах Рейнольдса. Расстояние от торца канала l = 3.5 Dh; б) среднее поле скорости в центральном сечении Т-канала и изоповерхности средней поперечной скорости, построенные по полям скорости, измеренным в пяти сечениях микроканала при числе Рейнольдса 186.

Скачать (638KB)
Метаданные
12. Рис. 11. а) Поля концентрации в выходном канале Т-миксера. Слева: Re = 10, в центре: Re = 150, справа: Re = 300; б) изолинии концентрации красителя в четырех поперечных сечениях микроканала, Re = 186, данные численного моделирования [25]; в) эффективность перемешивания в зависимости от расстояния от входа в микроканал при различных числах Рейнольдса.

Скачать (410KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».