Coflowing 液 -液两相形成机制以及过相界面传质计算模型的研究Mechanism of Coflowing Liquid-LiquidDrop Formation and ComputationalModeling of Mass Transfer throughInterface学 科 专 业 ： 化 学 工 程研 究 生 ： 常 麒指 导 教 师 ： 辛 峰 教 授天 津 大 学 化 工 学 院二 零 一 三 年 六 月独 创 性 声 明本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 和 取 得 的研 究 成 果 ， 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 之 处 外 ， 论 文 中 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 天津大学 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中作 了 明 确 的 说 明 并 表 示 了 谢 意 。学 位 论 文 作 者 签 名 ： 签 字 日 期 ： 年 月 日我 是 爱 天 大 的 ！ ！学 位 论 文 版 权 使 用 授 权 书本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 天津大学 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。特 授 权 天津大学 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检索 ， 并 采 用 影 印 、 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 、 汇 编 以 供 查 阅 和 借 阅 。 同 意 学 校向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 磁 盘 。（ 保 密 的 学 位 论 文 在 解 密 后 适 用 本 授 权 说 明 ）学 位 论 文 作 者 签 名 ： 导 师 签 名 ：签 字 日 期 ： 年 月 日 签 字 日 期 ： 年 月日摘 要本文的目的是对微通道中离散相形成传质过程机理的计算研究。基于开源CFD 函数库 Gerris Flow Solver，对程序中算法做了总结，并整理出计算研究Coflowing 液 -液 两 相 形 成 机 制 的 高 精 度 求 解 器 。 分 析 了 dripping 和 jetting 不 同 机制 下 的 液 滴 形 成 过 程 ， 分 别 给 出 液 滴 尺 寸 对 连 续 相 流 速 ， 粘 度 比 例 以 及 离 散 相Weber 数 在 一 定 变 化 范 围 内 的 关 联 式 ， 发 现 在 dripping 和 jetting 之 间 存 在 形 成 机理 的 突 变 。 在 大 Peclet 数 下 ， 将 浓 度 梯 度 大 的 边 界 层 从 传 质 主 体 中 分 离 出 来 ， 重新 定 义 在 液 -液 两 相 相 界 面 上 的 局 部 坐 标 系 中 ， 并 通 过 相 互 之 间 的 边 界 交 换 信 息 ，实 现 液 -液 两 相 中 可 溶 性 溶 质 过 相 界 面 的 多 尺 度 传 质 计 算 模 型 。关键词： VOF Coflowing 多 尺 度 过 相 界 面 传 质 浓 度 边 界 层 大 Peclet 数ABSTRACTTo study the mechanism of the mass transfer during the drop formation, I haverefered to the algorithm within the Gerris Flow Solver CFD libraries and also sort outa modular to computate the Coflowing liquid-liquid drop formation process andanalyze differences between dripping and jetting. Relations of droplet diameter withcontinuous flow velocity, ratio of viscosity between continuous and discrete phase andWeber number of discrete phase are also obtained. I found out that there exists asudden change from dripping to jetting in the mechanism. By redefining the tracetransport equation on local intrinsic coordinate， the concentration transport processcan be separated by communicating through boundary between different parts.KEY WORDS： VOF, Coflowing, Multiscale, mass transfer through interface,concentration boundary layer, high Peclet number目 录目 录 .3前 言 . - 1 -第 一 章 第 一 章 文 献 综 述 . - 2 -1.1 微 通 道 离 散 相 形 成 的 过 程 中 的 流 动 性 质 . - 3 -1.1.1 T（ Y） 形 入 口 . - 4 -1.1.2 Coflowing 入 口 . - 5 -1.1.3 Flow-focusing 入 口 . - 5 -1.2 微 通 道 离 散 相 形 成 的 过 程 中 的 传 质 性 质 . - 6 -1.3 微 观 尺 度 与 宏 观 尺 度 离 散 相 形 成 、 流 动 以 及 传 质 的 对 比 研 究 . - 7 -第 二 章 数 值 方 法 . - 9 -2.1 控 制 方 程 离 散 . - 9 -2.1.1 时 间 离 散 . - 9 -2.1.2. 空 间 离 散 . - 11 -2.2 Volume-Of-Fluid 对 流 格 式 . - 12 -2.2.1 相 界 面 重 构 . - 12 -2.2.2 相 界 面 对 流 以 及 几 何 通 量 计 算 . - 15 -2.2.3 相 界 面 守 恒 . - 16 -2.3 计 算 表 面 张 力 . - 18 -2.4 曲 率 的 计 算 . - 19 -第 三 章 液 -液 两 相 形 成 机 理 研 究 . - 20 -3.1 连 续 相 流 速 的 影 响 . - 24 -3.2 粘 性 比 例 的 影 响 . - 26 -3.3 表 面 张 力 的 影 响 . - 27 -第 四 章 离 散 相 形 成 的 传 质 机 理 研 究 . - 29 -4.1 单 变 量 平 均 体 积 过 相 界 面 传 质 计 算 模 型 . - 29 -4.2 离 散 相 形 成 中 的 传 质 计 算 . - 32 -4.2.1 coflowing 液 滴 形 成 过 程 中 的 浓 度 变 化 .