图 文 导 读

图1 Graphical abstract

该文亮点：

1. 采用VOF与组分运输模型耦合，通过模拟微通道泰勒流内气泡向液柱的传质行为，确定了气相的浓度分布和体积传质系数；

2. 液柱内溶质分布主要受流场影响，导致气泡各区域传质能力不同，液膜区域是传质的主要区域；

3. 随气泡速度增大，气液界面更新加快，总体传质速度相应增强。

Highlights:

1. The mass transfer behavior for a gas-liquid two-phase Taylor flow in a microchannel is simulated by coupling the volume-of-fluid (VOF) model and the species transport model. The concentration distribution and the volumetric mass transfer coefficient of the gas solute are determined.

2. The solute distribution in the liquid column is mainly affected by the flow field, resulting in different mass transfer capacities in each area of the bubble and the liquid film area is the main area for the mass transfer.

3. The renewal of the gas-liquid interface is accelerated, and the overall mass transfer rate is correspondingly increased with the enhancing bubble velocity.

微通道反应器是利用或部分利用微加工和精密加工技术制造的小型化反应体系，具有强化热质传输的效能，近年来已被广泛应用于化工、能源、生物、医药、材料等领域。对于微通道反应器，由于其微通道中的流动空间尺度减小，作用于流体的各种力的相对大小异于常规通道。微通道中存在的主要流型之一为气-液两相泰勒流。泰勒流具有相对规律和明显的流动特征，然而，其中气泡和微通道之间的液膜减小了径向传质阻力；气-液塞（gas-liquid slug）内的双循环流增强了界面附近的传输率（transfer rate），从而导致微通道气-液两相泰勒流的传质行为呈现出独特性，因此研究微通道中气-液两相泰勒流的流动模式及其传质行为颇具挑战。

东南大学顾宁院士、焦真副教授团队在《国际机械系统动力学学报（英文）》（International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD）发表“基于VOF多相流模型的微通道内气液两相泰勒流传质行为数值模拟”研究论文。该文通过耦合流体体积（volume-of-fluid, VOF）模型和组分输运模型（species transport model）研究了微通道中气液两相泰勒流的传质行为，确定了气相的浓度分布和体积传质系数（volumetric mass transfer coefficient），并展开详细讨论。仿真结果显示，双循环流动影响了液塞中的浓度分布（concentration distribution）。浓度最高值出现在气泡表面，并沿气泡的垂直方向迅速下降。气泡速度的增加导致了更明显的下降趋势。随着气泡速度增加，气泡的气-液界面更新率（renewal rate）加快，导致气泡表面所有区域的平均传质率也随之增加。仿真结果还表明，由于液膜在气泡中的比例和平均传质率最显著，液膜区域对传质行为的贡献最大。该文的研究结果为气-液泰勒流反应过程的改进提供了理论支撑。

Keywords:

Taylor flow,microchannel,hydrodynamics,mass transfer behavior,CFD simulation,gas–liquid interface

DOI: 10.1002/msd2.12049

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12049

Cite this article: Zhong Q, Jiao Z, Nie W, Li Y, Gu N. Numerical investigation of mass transfer behavior of a gas-liquid two-phase Taylor flow in a microchannel by a volume-of-fluid multiphase flow system. Int J Mech Syst Dyn. 2022;2(3):253-264.

作 者 简 介

钟秋文   钟秋文于济南大学获得工程学士学位后，进入东南大学-蒙纳士大学苏州联合研究生院攻读研究生，他目前主要研究微通道中泰勒流的流动和传质行为。

焦  真    焦真是东南大学化学化工学院和江苏省生物材料与器件重点实验室副教授，并担任东南大学-蒙纳士大学苏州联合研究院的助理院长，他的研究兴趣包括铁基微纳材料和微纳气泡的制备和应用、微纳尺度传递过程等。

聂文慧   聂文慧就读于东南大学化学化工学院和江苏省生物材料与器件重点实验室，她的研究兴趣包括微纳米尺度的传递过程和微纳气泡的可控制备。

李  艳    李艳是东南大学生物科学与医学工程学院和江苏省生物材料与器件重点实验室副教授，她的研究兴趣包括细胞与生物材料之间的相互作用、间充质干细胞的生物医学应用以及药物递送系统的设计和构建等。

顾  宁    顾宁是江苏省生物材料与器件重点实验室教授，中国科学院院士、教育部长江学者特聘教授、国家自然科学基金杰出青年研究员基金获得者，担任江苏省生物医学工程学会理事长及纳米医药专业委员会主任委员等。