Тип публикации: диссертация
Год издания: 2023
Ключевые слова: микроканалы, потоки жидкость-жидкость, микрогидродинамика, микрофлюидика, карты режимов, снарядный режим
Аннотация: Актуальность экспериментального исследования потоков жидкость-жидкость в микроканалах различной геометрии обусловлена как фундаментальными вопросами микрогидродинамики, так и широким спектром применения микроканальных устройств в различных приложениях. Микроканлы уже применяются для секвенирования биополимеров, генерации эмульсий, Показать полностьюпроизводства микрочастиц, охлаждения процессоров и т.д. Существенное увеличение площади поверхности к заключённому в ней объёму по сравнению с крупномасштабными устройствами приводит к повышенным коэффициентам переноса вещества и энергии, что делает микроканалы перспективной альтернативой для химической промышленности и теплоотвода. Особенностью многофазных потоков, и, в частности, двухфазных потоков жидкость-жидкость, является наличие межфазных поверхностей, которые вносят дополнительную сложность в аналитические и численные подходы решения задач гидродинамики. Это ведёт к необходимости экспериментальных исследований, как фундаментального, так и прикладного характера, которые позволяют получить необходимые данные для построения эмпирических моделей и моделирования происходящих физических явлений.?Диссертация состоит из введения, 5 глав, включающих в себя обзор литературы, заключения и библиографии. Работа изложена на 98 страницах, содержит 56 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 113 наименования работ.?Во введении обосновывается актуальность работы, определяются её цель и задачи, представлены выносимые на защиту положения, описана научная новизна и личный вклад автора.?В первой главе автор приводит обзор современного состояния исследуемой области. В разделе 1.1 кратко дано описание основных уравнений и граничных условий, описывающих задачу о течении двух несмешивающихся жидкостей в общем случае. Рассмотрены безразмерные критерии подобия, возникающие из соответствующих уравнений сплошной среды. В разделе 1.2 подробно рассмотрены режимы течения, возникающие в микроканальных потоках жидкость-жидкость и газ-жидкость. Проанализирован ряд наиболее актуальных работ, в которых исследовались режимы течения жидкость-жидкость в микроканалах и были построены карты режимов с использованием безразмерных параметров. Показано, что на сегодняшний день не существует универсального критерия, позволяющего предсказать переход между непрерывным и сегментированным потоком для произвольной системы жидкость-жидкость. В разделе 1.3 подробно обсуждаются сегментированные режимы течения (снарядный, капельный) их свойства и особенности. В разделе 1.4 рассмотрено влияние отношения вязкостей на карты режимов и сегментированные режимы течения. Показано, что отношение вязкостей дисперсной фазы к несущей является критическим параметром для карт режимов и структуры течений в дисперсной фазе. ?Обзор даёт представление о состоянии экспериментальных исследований в области микрогидродинамики, и понимание места работы автора в мировой науке.?Вторая глава содержит описание экспериментальной установки, методов исследования, рабочих участков и жидкостей, использованных в экспериментах. Описаны способы изготовления микроканалов и их геометрия. Приведён список рабочих жидкостей и их свойств, указаны методы измерения, с помощью которых были получены значения физических свойств жидкостей. Описаны методы скоростной визуализация, и метод визуализации структуры потока за счёт флуоресцентного красителя – LIF (Laser Induced Fluorescence). Проведено сравнение измерений методами micro-PIV и micro-PTV для случая микроканальных потоков жидкость-жидкость, сопоставлена глубина измерения, а также разрешение и качество получаемых на выходе векторных полей.?Третья глава посвящена результатам исследования влияния отношения вязкостей фаз на режимы течения несмешивающихся жидкостей в прямых микроканалах с Т-входом. Системы жидкость-жидкость выбирались таким образом, чтобы исключить либо свести к минимуму влияние таких сторонних параметров, как смачиваемость стенок микроканала, плотность фаз и межфазное натяжение. В результате проведённых экспериментов были визуализированы режимы течения для всех исследуемых наборов жидкостей в широких диапазонах объёмных расходов и дисперсной фаз. Построены соответствующие карты режимов. Использование полученной обширной базы экспериментальных данных позволило подобрать свободные параметры при степенях в ранее предложенном безразмерном комплексе WeαOhβ (We – число Вебера, Oh – число Онезорге). Показано, что при выборе значений для α и β равными 0,4 и 0,6, соответственно, экспериментальные данные λ < 1 ложатся на одну кривую с хорошей точностью. Проведено сравнение с литературными данными для случаев λ < 1 и λ > 1. Несмотря на различие экспериментальных установок, геометрии сечений и входов микроканалов, а также возможные погрешности в определении границ перехода, критерий We