超受限微通道中分层波状流界面物质传递的回流诱导（RCI）效应

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Recirculating induction (RCI) effect of interfacial species transfer for stratified wavy flow in superconfined microchannels

　　

•超微通道的波浪中回流被抑制。•被输运的物种在波浪隆起处积聚，需要增强传质。•液膜被壁面凸起抬升，进入抑制区进行交互作用。•在壁面凸起的下游侧产生新生波浪隆起。•诱导的回流以对流方式将物种羽流传入液膜。引言得益于精密加工技术[1]、[2]，液压当量直径更小的两相流微通道（例如0.2毫米）得以实现，具有更大的比界面面积和更高的传质效率，已广泛应用于微气泡化学处理[3]、蒸发器[4]、微反应器[5]、[6]和微流控[7]、[8]等领域。微通道流动在低雷诺数下通常为层流，输运能力有限，需要主动[5]或被动[9]方法来扰乱有序的流线。在分层两相流中，由于压力驱动的黏度跃变（Yih不稳定性）[10]、[11]、垂直于界面的重力驱动密度跃变（R-T不稳定性）[12]以及沿界面切向的重力惯性力驱动（Kapitza不稳定性）[13]等原因，可以诱发界面不稳定性。与界面不稳定性非线性演化的流动结构有利于对流输运机制，该机制占主导地位超过分子扩散，并显著增强流体混合[14]。对于重力驱动的降液膜，孤独波大浪峰内的回流已被证明在传质和传热效率方面均明显高于平滑液膜[15]、[16]、[17]、[18]。许多先前的研究[19]、[20]关注了气流对波动液膜稳定性和动力学的影响。Lavalle等人[21]结合线性稳定性分析（LSA），通过实验表明，逆气流可以在封闭通道中完全抑制Kapitza不稳定性。然而，当通道高度降至亚毫米水平时，重力的影响变弱。其固有属性——即压力差驱动的抑制和增强长波不稳定性的双重效应[11]——影响了对应的波形及其在超微通道中的传质性能。即，存在一个临界相对液膜厚度hN,c，在该处界面剪应力在单位波长内所做的扰动功恰好等于两相在单位波长内的总黏性耗散率。抑制区的存在意味着波浪隆起不能进入hN,c与气侧壁面之间的空间。除了抑制波浪隆起的生长外，回流也可能消失。因此，仅凭压力差本身很难产生有利于对流输运的界面涡旋，除非气液流量比非常大，使得界面远离抑制效应变得不明显的hN,c位置。近期，几项研究[22]、[23]、[24]、[25]发现，施加壁面结构可以显著增强薄液膜两端的传质或传热效率。Dietze[22]通过直接数值模拟研究了小尺度壁面波纹（正弦波和半圆形凸起）对垂直孤立波动降液膜在强约束逆气流作用下界面标量传输的影响。对被输运标量施加Dirichlet界面条件，因此传输机制仅限于液相。结果表明，正弦壁面从传输固定量标量所需的交换距离角度来看可将传输效率提高多达30%。通过凸起波纹可获得略高的增强效果，这可归因于：(i)流体经过波纹凸起后在重组的波浪隆起中形成新的标量羽流；(ii)壁面凸起附近的上游涡旋产生上升流动，演变为新的波峰。Hidman等人[24]通过直接数值模拟研究了壁面表面改性下蒸发垂直降液膜的壁面传热特性。考虑了几何参数（间距和高度）和液相Prandtl数。假设了四个协同传热增强步骤：(i)更大的加热面积从改性处扩散高热通量；(ii)对于上游改性，加热流体向外引导；(iii)对于下游改性，热流体由于波浪隆起处的回流而向外输运；(iv)这些热流体随后在界面处与较冷流体混合，产生比平滑壁板更高的蒸发速率。这些壁面表面改性机制可将传热速率提高多达100%。Düll等人[25]结合实验和数值方法研究了壁面表面改性下波动降液膜CO2吸收器中液侧传质的增强。变化的液相雷诺数略高，范围为113–572。与平板壁上的波动液膜相比，通过实验施加矩形壁面结构可将CO2传质速率提高多达4.1倍。数值模拟揭示的潜在增强机制表明，由于波浪隆起内的对流区域，靠近界面的高CO2浓度羽流可以被输运到饱和程度较低的主体液体中。由于较大的液流量，升高的波浪隆起在经过几个结构后与畸变较小的界面重新合并。在波形重组过程中，由于较长的液体停留时间，CO2浓度变得更加均匀。总之，对于具有孤独波的降液膜，增强机制可归结为四个方面：(i)减薄效应。波动液膜的平均厚度相对减小，从而降低了从壁面到界面的阻力，尤其对于传热过程；(ii)与大波浪隆起处的回流相关的对流流型比分子扩散效率高得多，尤其对于物种传输过程；(iii)壁面结构引起的扰动在波浪隆起的前驱处产生额外的羽流；(iv)当波浪隆起经过局部壁面结构时，黏力将积聚在波浪隆起处的饱和液体拖曳向液膜内的后方主体流动，扩展了羽流头部传输路径周围的扩散面积。值得注意的是，对于波浪隆起处的回流，连接波浪前部和后部驻点的流线将内部回流液体与大面积基底液膜隔开[26]。这些被困的流体自身旋转并以波速向前移动，这意味着后两种增强机制（iii和iv）可能作用于同一液团。换句话说，对于起始波段，结构扰动的增强效应以对流为主。一旦羽流头部的传输路径被高浓度物种饱和，分子扩散将主导下游波段。然而，先前的研究主要集中在自由空间或毫米级约束通道中的重力驱动孤立波动降液膜[4]、[15]、[22]。由高度≤0.2毫米的亚毫米级通道约束的两相流的界面物种传输过程尚未得到阐明，这是本研究的重点。基于我们之前的发现[11]，我们关注相对较低的气液流量比，意味着界面位置接近hN,c，抑制效应将阻碍回流的产生。通过调节壁面波纹，液膜可以被强制抬升进入抑制区，这加剧了扰动能量的耗散并诱导特定涡旋结构以促进对流输运。本文组织如下。第2节介绍数学问题设置，包括控制方程（第2.1节）、LSA系统（第2.2节）和所用数值方法（第2.3节）。第3.1节通过时间分析阐明了压力差驱动的界面不稳定性在超微通道中的抑制效应，随后第3.2节讨论了抑制效应对非线性波形导致回流区域缩小的情况。第3.3节详细讨论了单个壁面凸起的增强机制（RCI效应）。着重分析了瞬时流动结构，并基于纵向浓度演化和压降量化了传质增强效果。第3.4节排列凸起阵列以多次激活RCI效应，实现沿传输距离的浓度跳跃增长。第4节得出结论。第2节 问题设置与数值方法我们研究了被间隙壁面约束的二维不混溶气液流动，高度H~为0.05~0.2毫米。代表性流体对为空气-水。考虑三种壁面构型，如图1所示。平板壁展示了抑制效应如何在超微通道中消除孤独波浪峰内的回流。它也记录了由LSA调制的非线性波形的界面物种传输的纵向特性：界面不稳定性的抑制。在此，我们对垂直平板壁工况进行LSA分析，同时考虑重力和压力差。结果表明，压力差驱动的界面不稳定性的抑制取决于特定的相对液膜厚度hN,c。涉及两相流的三个方向：重力向下（G-D）、重力向上（G-U）和无重力（G-W）。图2展示了不稳定波数kc随相对液膜厚度hN的变化。结论在本工作中，我们关注高度（H~）不超过0.2毫米的二维超微微通道中由压力差驱动的黏度分层波动液膜的界面物种传输增强问题。为量化沿流动方向的物种传输效率，定义了时均局部Sherwood数。此外，引入时均局复合因子来评估物种传输。CRediT作者贡献声明赵齐山：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念构思。柏子怡：写作——审阅与编辑，写作——初稿。李士成：写作——审阅与编辑。马学虎：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。利益冲突声明作者声明不存在任何已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢作者感谢国家自然科学基金（批准号22478050）和国家自然科学基金（批准号51836002）的经费支持。赵齐山|柏子怡|李士成|马学虎