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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

About the authors

А. А. Ягодницына

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Author for correspondence.
Email: yagodnitsinaAA@gmail.com
Russian Federation, Новосибирск

А. В. Ковалев

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: yagodnitsinaAA@gmail.com
Russian Federation, Новосибирск

А. В. Бильский

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: yagodnitsinaAA@gmail.com
Russian Federation, Новосибирск

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences