馮俊杰，孫冰，石寧，高正明，孫萬付

（1 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2 北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029）

微反應(yīng)器具有體積小、比表面積大、反應(yīng)效率高、控制精確等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能從提高移熱速度、約束危險(xiǎn)物質(zhì)分布、減少物料囤積等方面提高化工過程的本質(zhì)安全性，有望成為化工產(chǎn)業(yè)高效、安全、綠色的革命性技術(shù)[1-2]。微反應(yīng)器的研究自20 世紀(jì)90 年代開始，杜邦公司于1993 年利用微電子加工技術(shù)制造了世界上第一個(gè)芯片化工廠，用于生產(chǎn)甲基異氰酸甲酯等有毒物質(zhì)，麻省理工學(xué)院的研究者于1997 年提出了用于氨氧化反應(yīng)的T 形薄壁微反應(yīng)器，此后歐洲的美因茨（IMM）、巴斯夫（BASF）、殼牌（Shell）等公司也相繼開展了微反應(yīng)器研究，日本政府在2000 年制定的“國家產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略”中把微反應(yīng)器技術(shù)列為新的化工技術(shù)之一。我國“十二五”規(guī)劃也將微化工技術(shù)列為中國化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，清華大學(xué)、中國科學(xué)院、南京工業(yè)大學(xué)、四川大學(xué)等研究單位持續(xù)推進(jìn)了微反應(yīng)器在化學(xué)、化工、材料、能源和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用[3-4]。一般認(rèn)為微反應(yīng)器尤其適用于放熱劇烈、反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定、配比要求嚴(yán)格的快速反應(yīng)、高含能及精細(xì)高值化學(xué)品合成等過程，在氧化、加氫、硝化、磺化、重氮化、鹵化以及材料制備和有機(jī)合成等方面已經(jīng)取得了顯著的研究進(jìn)展。針對(duì)微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、加工、化學(xué)反應(yīng)、傳遞規(guī)律以及工業(yè)應(yīng)用的研究，國內(nèi)外正方興未艾。

微反應(yīng)器中應(yīng)用的絕大多數(shù)為多相體系，實(shí)現(xiàn)微通道尺度下多相傳遞過程的深入理解與精確控制是微反應(yīng)器發(fā)揮諸多優(yōu)勢(shì)的前提和廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)保障[5]。微通道的特征尺寸一般在10～1000μm 之間，內(nèi)部的傳遞過程一般仍滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，但是諸多多相流體力學(xué)行為與宏觀尺度下存在顯著的差異，很多宏觀條件下影響較小的作用力在微通道中具有不可忽視的重要影響[6]。除微反應(yīng)器外，微通道尺度的多相流動(dòng)還廣泛存在于傳統(tǒng)反應(yīng)器的局部位置（如催化劑/多孔介質(zhì)內(nèi)部、顆粒間隙等）以及檢測(cè)分析、生物醫(yī)藥、微換熱、微混合等重要領(lǐng)域[7-8]。深入開展微通道多相流研究，不僅能夠豐富并加深多相流體力學(xué)機(jī)理認(rèn)識(shí)，更有助于實(shí)現(xiàn)微通道尺度傳遞過程的精確測(cè)定和控制，為微反應(yīng)器在內(nèi)的多種微流控技術(shù)提供理論支撐和科學(xué)指導(dǎo)。

本文介紹了針對(duì)氣泡等微尺度分散相行為的研究進(jìn)展，包括主要考察體系、相關(guān)研究方法和機(jī)理分析思路等，然后重點(diǎn)探討了含有固相等局部限域體系的氣泡破裂研究進(jìn)展，最后總結(jié)了當(dāng)前研究的不足，從研究體系構(gòu)建、機(jī)理分析、研究方法提升以及與工藝匹配性提升等方面探討了未來的研究與發(fā)展方向。

1 微尺度分散相行為研究進(jìn)展

微通道多相流體力學(xué)主要研究微通道內(nèi)多種流體同時(shí)流動(dòng)、共同作用時(shí)的力學(xué)問題，主要考察流動(dòng)特征、速度、相含率、壓力、停留時(shí)間、分散相特征、混合和分離效果等，普遍認(rèn)為多相流體力學(xué)行為由流體特性和通道特性共同決定，而潤濕性質(zhì)、流動(dòng)速度、界面作用、流體物性、通道結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等均具有重要影響[6]。近年來具有代表性的微通道多相流研究總結(jié)如圖1所示。其中，氣泡和液滴等分散相不但能直接影響速度場(chǎng)，而且能通過改變相界面性質(zhì)等決定體系的傳質(zhì)和傳熱效果，深入理解并調(diào)控氣泡/液滴的形變與破裂行為、優(yōu)化尺寸分布與多相分散過程對(duì)微通道設(shè)備的性能具有直接而重要的影響[9]。

1.1 微尺度多相流主要研究方法

目前微通道尺度多相流的主要研究方法可以分為理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三類。在理論分析方面，量綱為1分析、流動(dòng)剖面分析、流型分布圖［圖1h］、數(shù)學(xué)建模等方法是常用的研究手段[20]。微尺度下的多相動(dòng)力學(xué)機(jī)理與宏觀尺度存在顯著差異，表面力、黏性力等作用力相對(duì)于重力、浮力往往占據(jù)更重要的作用，研究者常用毛細(xì)管數(shù)、韋伯?dāng)?shù)、雷諾數(shù)等量綱為1數(shù)描述微通道內(nèi)流動(dòng)情況[14]。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，研究者多年來開發(fā)出多種多樣的設(shè)備對(duì)流體的流變特性、壓力（壓強(qiáng)）、速度、溫度、傳質(zhì)特性等相關(guān)量進(jìn)行實(shí)際測(cè)定。借助顯微鏡、高速相機(jī)、激光誘導(dǎo)熒光（LIF）、粒子成像測(cè)速［即PIV，圖1e］、激光多普勒、核磁共振技術(shù)以及X射線斷層掃描等非接觸式測(cè)試手段具有不干擾待測(cè)流場(chǎng)、獲取信息量較大等優(yōu)勢(shì)，已成為微通道流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的主流方法[21]。其中，激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)利用激光將粒子激發(fā)至高能的量子態(tài)，然后探測(cè)粒子釋放出的熒光光子，可以有效揭示微通道內(nèi)的濃度場(chǎng)和混合效率，具有高空間分辨率、高靈敏度（探測(cè)下限可達(dá)106個(gè)粒子）、對(duì)流場(chǎng)干擾小等優(yōu)勢(shì)，但是該方法目前常檢測(cè)的物質(zhì)有限，對(duì)于其他物質(zhì)的熒光分離需要較高的光譜基礎(chǔ)和相對(duì)昂貴的成本。micro-PIV 技術(shù)借助顯微鏡系統(tǒng)對(duì)示蹤粒子的瞬時(shí)捕捉，可以得到微通道內(nèi)全流場(chǎng)的瞬時(shí)速度矢量信息，目前針對(duì)單相體系及分散相含量不太高的多相體系流場(chǎng)測(cè)定已較為成熟，而微觀尺度的體三維流場(chǎng)測(cè)試也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。研究者普遍認(rèn)為由于微通道的尺度特點(diǎn)，PIV、LIF 等方法在微尺度流體力學(xué)行為研究方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是幾乎所有光學(xué)方法都需要解決的問題是如何在微小尺度下穩(wěn)定提供所需要的光路條件，特別是在多相體系中光經(jīng)過相界面的折射和反射會(huì)產(chǎn)生非常大的干擾，制約了可視化方法的應(yīng)用，因此最大程度消除諸多干擾因素、提高復(fù)雜多相體系的實(shí)驗(yàn)精度和捕捉關(guān)鍵信息的能力仍然是微尺度可視化實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵[22-23]。圖2為微通道多相流實(shí)驗(yàn)研究手段。

圖1 微通道多相流研究概覽

圖2 微通道多相流實(shí)驗(yàn)研究手段[23]

在數(shù)值模擬方面，對(duì)于分散相數(shù)量較少的體系模擬研究的重點(diǎn)是相界面的精確計(jì)算表達(dá)，通用的CFD 方法大多是通過聯(lián)立求解Navier-Stokes（N-S）方程和界面追蹤（或界面捕捉）方法來研究氣泡的動(dòng)力學(xué)行為，目前廣泛采用的包括Front-tracking方法、VOF模型、level-set 等研究方法；隨著分散相個(gè)數(shù)的增加，混合模型（Mixture Model）、雙歐拉（Euler-Euler）模型、群體平衡模型（PBM）等被廣泛應(yīng)用于多相流場(chǎng)和分散相行為的數(shù)值模擬[24]。近年來，格子玻爾茲曼方法（LBM）作為一種新興的計(jì)算流體力學(xué)方法，得到了越來越多的關(guān)注與應(yīng)用，其核心思想是將流體離散為在網(wǎng)格上運(yùn)動(dòng)的介觀粒子，通過計(jì)算粒子的碰撞和遷移規(guī)律得到粒子分布函數(shù)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到宏觀變量如壓力、流速和溫度等，從而實(shí)現(xiàn)了模擬流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)模型向離散模型的轉(zhuǎn)變[25]。

1.2 氣-液及液-液兩相體系的分散過程

微通道中的氣-液及液-液兩相流動(dòng)在許多方面具有相似性，均可分為連續(xù)流（continuous-phase microreactors）和分散流（dispersed-phase microreactors）兩大類，具體則分為泡狀流、彈狀流、并行流、環(huán)狀流、攪拌流及其他多種過渡流型[26]。很多研究者認(rèn)為兩相分隔明顯的彈狀流（泰勒流）是較為理想的流動(dòng)狀態(tài)，與其他流型相比具有操作區(qū)間寬、軸向返混小、徑向混合好等優(yōu)點(diǎn)，一層較薄的液膜是兩相之間唯一的傳遞渠道，其厚度往往隨著毛細(xì)管數(shù)的增大而增加[10]。

分散相的生成、破裂等多相流體力學(xué)行為是氣-液及液-液兩相流研究的核心。一般認(rèn)為微通道中的氣泡破裂存在擠壓（squeezing）、滴落（dripping）、射流（jetting）、穿透（threading）等機(jī)制［例見圖1e］。T（Y）形、十字形、同軸形、聚焦形等結(jié)構(gòu)是微通道中研究氣泡破裂的主要單元型式，研究者已針對(duì)微通道中的氣-液兩相體系建立了多種預(yù)測(cè)氣泡破裂結(jié)果的半經(jīng)驗(yàn)特征模型，其中毛細(xì)管數(shù)（Ca數(shù)）等量綱為1數(shù)常被用來作為判據(jù)[27]（圖3）。Roumpea 等[28]系統(tǒng)考察了十字形微通道中表面力在氣泡頸拉伸變薄直至斷裂過程中的影響規(guī)律。Garstecki 等[29]針對(duì)T 形微通道中氣泡破裂過程的受力狀況進(jìn)行了機(jī)理分析，進(jìn)而建立了破裂結(jié)果預(yù)測(cè)模型，研究者在該模型基礎(chǔ)上針對(duì)具體物性參數(shù)及操作條件不斷修正，在T形結(jié)構(gòu)的氣泡破裂研究方面取得了一系列成果。Fu等[12]綜述了氣泡在多種微通道結(jié)構(gòu)中的完全阻塞破裂、部分阻塞破裂和無阻塞破裂等破裂形式，分析了不同破裂形式的轉(zhuǎn)變機(jī)制（圖4）。整體來看，在液相剪切或沖擊等作用顯著的無阻塞自由破裂行為方面已經(jīng)有了較為深入的理解，但是針對(duì)有明顯阻塞破裂等限域條件下的破裂行為的機(jī)理仍未明確。

圖3 微通道中的流型[14]

圖4 T形微通道中的典型氣泡破裂行為[12]

微通道中氣泡/液滴之間同樣不可避免地會(huì)發(fā)生相互作用，如聚并、碰撞、反彈、滑移等。與破裂過程相似，微通道中液滴或氣泡的聚并同樣受微尺度作用力的影響，聚并與否往往取決于液滴或氣泡間的接觸時(shí)間和液膜排液時(shí)間（drainage time）的關(guān)系，由于微通道尺度液膜排液和接觸時(shí)間均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)反應(yīng)器尺度，微尺度下液滴/氣泡聚并臨界條件也與宏觀尺度有較大區(qū)別[11]。荷蘭Delft大學(xué)的Kreutzer 等[30]針對(duì)微流體液滴、微通道內(nèi)界面動(dòng)力學(xué)及多相微反應(yīng)器的分配模式開展了許多深入的研究，特別是對(duì)氣泡在T形通道口的聚并和破裂等行為提供了很多極具意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型。研究者還發(fā)現(xiàn)微反應(yīng)器尺度中氣泡間存在特殊的連接行為（bubble train），同時(shí)發(fā)現(xiàn)該流型能夠提高傳質(zhì)效果[31]。

1.3 微通道并行放大

在反應(yīng)器的放大過程中，與傳統(tǒng)反應(yīng)器在尺寸上逐級(jí)放大不同，微反應(yīng)器的放大可以直接通過增加反應(yīng)單元數(shù)量即“數(shù)量放大”（numbering-up）來實(shí)現(xiàn)，數(shù)量放大的方法大大簡化了放大過程的探索及傳遞過程的復(fù)雜建模步驟，有利于低成本地快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；痆32]。數(shù)量放大的關(guān)鍵是要保證每個(gè)微反應(yīng)單元內(nèi)的流動(dòng)和混合情況一致，多個(gè)微通道的并行同時(shí)也帶來了流體分配與集成化方面的問題，相對(duì)于單相流動(dòng)，多相流的并行過程更加復(fù)雜和難以控制，其中便涉及了氣泡和液滴的破裂行為，一旦相分配不均勻，在實(shí)際過程中容易造成“竄流”等微觀物料配比惡化的情況。如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)微通道內(nèi)多相流均勻、可控地并行分配目前尚未有統(tǒng)一的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，已成為阻礙微反應(yīng)器大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的瓶頸之一[33]。圖5為微通道并行放大常見結(jié)構(gòu)。

圖5 微通道并行放大常見結(jié)構(gòu)[1]

典型的氣液兩相體系的并行放大結(jié)構(gòu)主要有梳狀和耙狀等，雖然微通道內(nèi)大多為層流流動(dòng)，然而其通量較小，依然存在流動(dòng)的不穩(wěn)定性，在多通道并行過程中通道之間的耦合作用和流體分配受到流動(dòng)穩(wěn)定性的影響尤為明顯[34]。針對(duì)多相流動(dòng)的不穩(wěn)定性與波動(dòng)性，研究者通過不規(guī)則分析、混沌分析和時(shí)間頻率分析等方法進(jìn)行了研究，Kakac 等[35]總結(jié)了密度波理論、壓降模型及熱振蕩性三種方法在氣液兩相流不穩(wěn)定性研究的應(yīng)用情況，并將實(shí)驗(yàn)值與模型值進(jìn)行了對(duì)比。

為使流體在各個(gè)分支管路之間分配均勻，首先需要保證上游的入口條件保持穩(wěn)定，而分散相和連續(xù)相進(jìn)口管徑和速度往往需要分別控制，各個(gè)分支通道的管徑往往需要有差異，毛細(xì)管數(shù)需要足夠大才能保證氣泡在分支管路口的破裂。Chen等[36]研究了多種進(jìn)口流型下5 路并行T 形通道中的氣液流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)不同的進(jìn)口流型會(huì)造成不同的分配情況，而進(jìn)口流型為彈狀流時(shí)相分配相對(duì)均勻。研究表明，流體的壓力與壓降對(duì)并行處的分配過程具有重要影響，壓降主要由摩擦（主要原因）、管徑收縮、流體加速度等原因造成，Kawahara等[37]發(fā)現(xiàn)單相流摩擦系數(shù)符合傳統(tǒng)層流關(guān)系式，均相流模型預(yù)測(cè)彈狀流和環(huán)狀流壓降時(shí)會(huì)偏高，而分相流模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合更好。Liang 等[38]通過對(duì)雙噴嘴微通道分布器結(jié)構(gòu)的研究，認(rèn)為進(jìn)口流型及下游通道阻力對(duì)氣液相分配起到主要作用。

研究者認(rèn)為此領(lǐng)域需要進(jìn)一步利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段，而模擬多相分配過程需借助三維而不僅僅是傳統(tǒng)的二維數(shù)值模擬方法，方能得到具有普適性的機(jī)理模型[36]。Tonkovich等[39]對(duì)微反應(yīng)器模塊集成放大的優(yōu)勢(shì)和流體分配不均勻的問題進(jìn)行了討論，并針對(duì)蒸汽甲烷重整微反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用提出了一套可伸縮設(shè)計(jì)策略。針對(duì)多相催化過程，Jensen 等通過在氣-液兩相流體接觸前設(shè)置壓降遠(yuǎn)大于并行通道及出口集流器的增壓通道，使得流體均勻分布程度高于90%，并將之應(yīng)用于臭氧化、環(huán)己烯加氫、氫氧直接合成雙氧水、直接氟化等氣-液反應(yīng)過程，Mendorf 等[40]采用類似設(shè)計(jì)，使用兩種分布器實(shí)現(xiàn)了8 個(gè)通道內(nèi)的兩相流體均勻分布，但其設(shè)計(jì)方式操作較為復(fù)雜。

2 微通道限域結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣泡破裂過程

微尺度多相流研究早期以氣-液、液-液等兩相體系為主，近年來隨著傳遞機(jī)理的理解深入以及測(cè)量與控制技術(shù)的進(jìn)步，針對(duì)含有固相等復(fù)雜反應(yīng)體系的研究不斷增加，大大拓寬了微化工技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用范圍[3]。利用微反應(yīng)器開展固相催化反應(yīng)能夠發(fā)揮其傳遞效率高、選擇性好、安全性高等優(yōu)勢(shì)，例如針對(duì)許多本征速率較快、放熱量大的加氫及氧化等反應(yīng)［例見圖1中i、l、m］[15,17]，氣-液-固三相微反應(yīng)器有望成為替代傳統(tǒng)工藝的新途徑（圖6）。同時(shí)，微反應(yīng)器能夠克服傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器返混程度大、過程參數(shù)不易控等缺點(diǎn)，在許多納米材料制備、快速沉淀等產(chǎn)物為顆粒的工藝中具有可觀的應(yīng)用前景（例見圖1中n、o）[41]。

圖6 氣-液-固三相微反應(yīng)器[4]

微固定床等固定顆粒形式的多相微反應(yīng)器由于能夠有效減少流動(dòng)顆粒引起的堵塞、分配不均勻、催化劑和產(chǎn)物分離困難等問題，成為當(dāng)前微化工技術(shù)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，含有移動(dòng)顆粒的多相體系更加復(fù)雜，也對(duì)微通道多相流的認(rèn)識(shí)與控制提出了更高的要求，控制不當(dāng)則會(huì)出現(xiàn)分配不均勻、壓降過大、死區(qū)及堵塞等問題[42]。當(dāng)分散顆粒均勻有序時(shí)，往往能夠有效提高傳遞和反應(yīng)速率，例如以納米顆粒作為分散相的“納米流體”作為高效傳熱介質(zhì)為需要快速換熱的反應(yīng)過程提供了新途徑[43]。

固體顆粒強(qiáng)化氣液混合與傳質(zhì)一直是化工過程的重要強(qiáng)化手段之一，微固定床等多相反應(yīng)器中氣泡的形變、破裂等行為不僅能顯著影響流場(chǎng)分布，還能通過改變相界面及傳遞過程直接影響反應(yīng)效率。氣泡在微反應(yīng)器中固定顆粒床層的形變與破裂過程是由通道結(jié)構(gòu)（壁面作用）、操作條件、流體/顆粒性質(zhì)，特別是顆粒層內(nèi)部受限空間結(jié)構(gòu)等多因素共同決定的，具有鮮明的瞬時(shí)性、非均勻性、復(fù)雜性等特征。

2.1 微尺度氣泡界面的局部不穩(wěn)定性機(jī)制

由于微通道中的氣泡尺寸較小、“剛性”相對(duì)較強(qiáng)，往往需要通過調(diào)節(jié)通道結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)特征制造氣泡局部的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（如“氣泡頸”）以提高破裂發(fā)生概率。對(duì)于微填充床等體系，氣-液界面尺寸與顆粒孔隙明顯大于孔隙尺度，固定顆粒影響下的氣泡行為實(shí)質(zhì)同樣是限域結(jié)構(gòu)中存在較強(qiáng)壁面作用的氣-液兩相過程，因此若想明確含有固體顆粒、多孔介質(zhì)乃至更復(fù)雜體系中的多相分散機(jī)理，首先需要探究具有較強(qiáng)的局部不穩(wěn)定性作用下的氣泡破裂機(jī)制[44]。

氣泡的扭曲變形和破裂等行為首先需要經(jīng)過擠壓排液進(jìn)而形成局部薄弱位置的過程，界面演變過程中主要作用力的時(shí)空變化規(guī)律分析是研究的重點(diǎn)，有研究者通過平面膜/凸面膜、軟球-硬球/壁面等模型解析動(dòng)力學(xué)機(jī)制，探討并解析了壁面、顆粒及流場(chǎng)等多因素耦合作用下的擠壓排液機(jī)理[13]。氣泡液膜排液變薄至一定厚度后發(fā)生不穩(wěn)定斷裂的過程廣泛存在于破裂、聚并等重要的流體力學(xué)行為中，而不同條件下的不穩(wěn)定性機(jī)制往往存在差異，很多時(shí)候甚至呈現(xiàn)一定的概率分布特征[35]。綜合來看，界面不穩(wěn)定性機(jī)制可以分為宏觀機(jī)制與微觀機(jī)制兩種，其中宏觀尺度包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。靜態(tài)不穩(wěn)定性包括流量分配不穩(wěn)定性、流型轉(zhuǎn)變以及Ledinegg不穩(wěn)定性等，而動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性包括密度波不穩(wěn)定性、熱-聲不穩(wěn)定性、壓力降脈動(dòng)以及其他復(fù)合型式的不穩(wěn)定性等[45]。

微觀尺度的界面不穩(wěn)定性則包括Rayleigh-Taylor、Kelvin-Helmholtz、Richtmyer-Meshkov、Plateau-Rayleigh 等機(jī)制，其中Rayleigh-Taylor 不穩(wěn)定性描述的是在非穩(wěn)定的密度分層的狀況下流體內(nèi)部密度不同區(qū)域之間產(chǎn)生的相互滲透[46-47]。該機(jī)制會(huì)在界面附近形成流體力學(xué)不穩(wěn)定區(qū)，一定程度上能夠推動(dòng)流體的混合，對(duì)于微通道中分層流等流型中的界面破裂過程也具有重要作用。梁宏[48]利用格子玻爾茲曼方法研究了二維及三維微通道內(nèi)的Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性問題，分析了雷諾數(shù)對(duì)不穩(wěn)定性各發(fā)展階段的擾動(dòng)增長及流體界面變化的影響，并將不穩(wěn)定性的發(fā)展分為線性增長、最終速度、重加速及混沌混合階段（圖7）。

圖7 兼顧熱量傳遞的并行氣液兩相界面流體力學(xué)不穩(wěn)定性機(jī)制[5]

Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性描述的是界面兩側(cè)切向速度差引發(fā)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性會(huì)引起界面垂直于運(yùn)動(dòng)方向的波動(dòng)，在低于一定閾值時(shí)界面張力可以維持界面穩(wěn)定，而高于此閾值時(shí)波動(dòng)會(huì)逐漸發(fā)展直至界面斷裂[3]。劉佩堯等[49]采用界面跟蹤法研究分析了初始振幅、波數(shù)、表面張力、密度比、速度梯度、韋伯?dāng)?shù)等對(duì)Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性發(fā)展的影響規(guī)律，鄧小龍[50]通過level-set 函數(shù)輔助Cut Cell 方法液滴表面的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性機(jī)制。

Richtmyer-Meshkov 不穩(wěn)定性指的是流體界面受到?jīng)_擊作用時(shí)，由于密度梯度與壓力梯度的不重合導(dǎo)致斜壓渦量的產(chǎn)生，界面上的初始擾動(dòng)隨著時(shí)間不斷增長，在擾動(dòng)發(fā)展的后期界面上會(huì)生成許多小尺度渦[51]。Richtmyer-Meshkov 不穩(wěn)定性在渦動(dòng)力學(xué)以及湍流形成機(jī)理研究方面具有重要的學(xué)術(shù)意義，相對(duì)來說在微通道層流體系中影響較小，而激波與相界面的相互作用及湍流混合過程是該不穩(wěn)定性研究的經(jīng)典問題。

Plateau-Rayleigh 不穩(wěn)定性指的是由于局部表面張力的不平衡（從微觀的分子熱運(yùn)動(dòng)到宏觀的流動(dòng)不對(duì)稱均能導(dǎo)致表面張力的不平衡）對(duì)氣泡產(chǎn)生微小的擾動(dòng)，Plateau和Rayleigh等提出可以用一個(gè)正弦波來描述這個(gè)擾動(dòng)波動(dòng)，使液膜某些部分半徑增大，某些部分半徑減小，進(jìn)而產(chǎn)生了壓強(qiáng)分布變化。對(duì)于氣泡來說，氣泡頸的半徑變大原本會(huì)使表面張力帶來的壓強(qiáng)減小，但是波動(dòng)又會(huì)帶來壓強(qiáng)的增大，比較波峰波谷兩處壓強(qiáng)的變化，擾動(dòng)較小時(shí)波峰處壓強(qiáng)較大，波谷處壓強(qiáng)較小，可以恢復(fù)平衡，但當(dāng)擾動(dòng)較大時(shí)，波谷處壓強(qiáng)較大，恢復(fù)平衡的難度增加；隨著時(shí)間增長，擾動(dòng)波會(huì)越來越強(qiáng)烈（perturbations growth），當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界半徑（critical length）時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂。這種現(xiàn)象也可用能量最小化原理給予解釋，即體系傾向于縮小表面積來使能量達(dá)到最小化[52]。Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性機(jī)制對(duì)氣泡頸的斷裂、液柱破碎成液滴等許多過程具有重要意義，尤其在十幾到幾百個(gè)微米的微小尺度條件下慣性力往往是可忽略的，范德華力也不是很顯著，而表面力作用更加突出，Plateau-Rayleigh 不穩(wěn)定性的發(fā)展就更加容易，通過對(duì)微通道限域結(jié)構(gòu)中的氣泡頸及液膜Plateau-Rayleigh 不穩(wěn)定性機(jī)制研究有助于深入理解并調(diào)控微尺度的氣泡/液滴破裂（圖8）。

圖8 形變氣泡的Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性機(jī)制

2.2 含固相體系等限域結(jié)構(gòu)中的氣泡形變與破裂行為

相對(duì)來說，目前針對(duì)氣-液-固三相微反應(yīng)器等復(fù)雜含固體系的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究較多，而流型及多相流體力學(xué)行為的研究則較少報(bào)道。對(duì)于尺寸小于微通道結(jié)構(gòu)的氣泡破裂過程，剪切應(yīng)力效果明顯，部分體系甚至出現(xiàn)射流（jetting）型的氣泡破裂；接近或者大于通道尺寸的氣泡破裂由于通道中的液相受到阻塞，導(dǎo)致連續(xù)相剪切作用影響下降，而上游的壓力累積對(duì)氣泡的形變及液膜斷裂具有重要的驅(qū)動(dòng)作用[12]。

Wang 等[53]利用Plateau-Rayleigh 不穩(wěn)定性機(jī)制分析了T形微通道中的氣泡破裂條件，并提出了預(yù)測(cè)氣泡破裂與否的經(jīng)驗(yàn)公式。針對(duì)受限狹窄空間對(duì)氣泡破裂行為的影響，Dai 等[54]實(shí)驗(yàn)研究了氣泡流經(jīng)縮徑等限域結(jié)構(gòu)的破裂行為，發(fā)現(xiàn)破裂結(jié)果主要由微通道尺寸、毛細(xì)管數(shù)及連續(xù)相黏度決定；Zhang 與Wang[8,55]等分別研究了液滴/氣泡流經(jīng)微縮口時(shí)的破裂過程，發(fā)現(xiàn)不同體系均存在發(fā)生破裂的臨界毛細(xì)管數(shù)，而子氣泡數(shù)目一般隨著流量、縮口角度、液滴尺寸的增加而增加。

在微通道中的氣泡/液滴與細(xì)小顆粒的相互作用方面，常見的作用形式有碰撞、吸附、滑移、反彈、穿透等多種，研究者已針對(duì)顆粒在氣液界面的掠過效應(yīng)、對(duì)邊界層的作用以及對(duì)氣含率的影響等開展了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了氣泡對(duì)微通道中較小顆粒的捕捉和聚集效應(yīng)，探討了細(xì)小顆粒對(duì)氣泡聚并的阻礙作用，見圖9[56]。近年來針對(duì)氣-液-固三相微反應(yīng)器中的流型轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究也逐漸增加[57]。Liedtke等[17]對(duì)微反應(yīng)器內(nèi)“漿態(tài)泰勒”流三相加氫反應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該種反應(yīng)器在提高了傳質(zhì)效率和反應(yīng)器性能的同時(shí)也存在微通道易堵塞、催化劑和產(chǎn)物分離困難等問題。Kobayanshi 等[15]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣-液-固三相加氫微反應(yīng)器中發(fā)生環(huán)狀流動(dòng)時(shí)液膜較薄，有效降低了傳質(zhì)阻力，使得反應(yīng)器的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率明顯提高。謝靈丹[58]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的氧化銅顆粒作為分散相對(duì)于氣液兩相流型及傳質(zhì)過程的影響，發(fā)現(xiàn)分散顆粒的存在增加了流型分布圖上Taylor流發(fā)生的區(qū)域，減少了泡狀流和環(huán)狀流出現(xiàn)的區(qū)域，We數(shù)可用來預(yù)測(cè)流型的變化。

圖9 氣泡生成過程的顆粒聚集作用[56]

數(shù)值模擬方面，早先的氣液固三相數(shù)值模擬研究往往將液固兩相統(tǒng)一描述，即簡化為氣相-漿態(tài)兩相問題，近年來隨著計(jì)算手段的發(fā)展，三相分別討論的三相歐拉及歐拉-歐拉-拉格朗日方法越來越多應(yīng)用到氣液固三相模擬中，諸如CFD-VOFDPM和CFD-DED等多相耦合模型的研究逐漸開展并優(yōu)化[59]。Han 等[60]利用CFD-DEM 模型研究了三相流化床內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)和相含率分布，Tang等[61]采用CFD-VOF-DPM 耦合模型對(duì)微通道內(nèi)低固含率條件下的氣-液-固三相流動(dòng)特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)顆粒的存在增加了液體的有效黏度，導(dǎo)致氣栓脫離時(shí)間和長度都縮短。

2.3 微尺度限域體系的氣泡破裂研究展望

針對(duì)含有固相的氣-液-固、液-液-固等復(fù)雜限域體系的流體力學(xué)作用機(jī)制研究是多相微反應(yīng)器研發(fā)與大規(guī)模應(yīng)用的必經(jīng)之路，也逐漸成為微反應(yīng)器研究的重點(diǎn)，但是整體來看當(dāng)前的研究仍不夠系統(tǒng)、深入：針對(duì)微通道中氣泡在縮口及狹縫等受限空間的破裂研究仍處于起步階段，對(duì)限域壁面影響下的微氣泡擠壓變形及臨界破裂等顯著有別于宏觀尺度的過程認(rèn)識(shí)尚不深入，而顆粒層等復(fù)雜體系中的氣泡形變-破裂演變機(jī)制研究更是非常欠缺。

鑒于研究對(duì)象復(fù)雜、研究難度相對(duì)較大的特點(diǎn)，建立清晰合理、逐漸深入的研究體系是微通道多相流研究的必經(jīng)之路。復(fù)雜三相輸運(yùn)過程的調(diào)控需要基于對(duì)于微尺度局部限域空間內(nèi)的不穩(wěn)定性機(jī)理的深入理解，因此遵循微固定床-微流化床、限域結(jié)構(gòu)-復(fù)雜顆粒體系的研究路徑，從微通道狹縫與“孔喉”等典型限域結(jié)構(gòu)入手、逐步深入拓展到固定顆粒體系的分散相行為，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、深入地理解氣泡形變與破裂機(jī)理。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，侵入式測(cè)量方法由于微通道的尺寸狹小及干擾流體等問題難以普遍運(yùn)用，高速攝像、PIV等可視化手段在很多微通道體系中面臨的材料不透光性、界面折射與反射干擾等難題，限制了非接觸式測(cè)量方法的測(cè)試范圍。進(jìn)一步可利用顆粒追蹤、優(yōu)化的PIV處理算法、精確的數(shù)字圖像分析等方法對(duì)可視化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，例如通過進(jìn)行不同相之間的折射率匹配可以大幅降低多相體系對(duì)光傳播的阻礙與干擾，目前該方法在固-液、液-液等體系中均已證明可行。此外，推進(jìn)納米光鑷、原子力顯微鏡等方法在微尺度動(dòng)態(tài)作用研究的應(yīng)用有望對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)試手段提供有益的補(bǔ)充[62]。

在數(shù)值模擬方面，分散顆粒的加入使得多相系統(tǒng)受力機(jī)理較為復(fù)雜，許多研究者對(duì)于顆粒引起的相界面受力變化往往追求均勻化與簡化描述，同時(shí)分散顆粒往往尺寸較小、數(shù)量較多，與其他相之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跨尺度的情況，使得模擬設(shè)置和計(jì)算的難度大幅增加。以改進(jìn)的多相流耦合模型為主要數(shù)值模擬方法對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充參照具有重要意義，其中耦合了level-set 與VOF的CLSVOF模型在許多表面張力與自由界面形態(tài)較為重要的過程中（如氣泡的Plateau-Rayleigh 不穩(wěn)定性問題）具有明顯的精度優(yōu)勢(shì)，該模型通過相函數(shù)初始化、相界面重構(gòu)、level-set 函數(shù)重新距離化及對(duì)流輸運(yùn)方程求解等步驟進(jìn)行相界面追蹤，通過定義光滑化的Heaviside函數(shù)描述相含率，能夠兼具level-set方法拓?fù)涿枋鼍_與VOF模型相含率高守恒性的優(yōu)勢(shì)[63]；利用浸入邊界、自適應(yīng)網(wǎng)格等方法能夠大幅提高網(wǎng)格質(zhì)量與計(jì)算效率，結(jié)合流體力學(xué)分析和數(shù)學(xué)模型化，能夠大幅提高研究精度與計(jì)算效率。

在機(jī)理分析方面，對(duì)于各種不同的限域結(jié)構(gòu)，都應(yīng)當(dāng)抓住氣泡擠壓排液及液膜不穩(wěn)定斷裂機(jī)理這兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題。氣泡的扭曲變形和破裂等行為均經(jīng)過擠壓排液進(jìn)而形成局部薄弱位置的過程，而微固定床等體系中顆粒影響下的氣泡行為實(shí)質(zhì)同樣可理解為限域結(jié)構(gòu)中存在較強(qiáng)壁面作用的氣-液兩相過程；應(yīng)當(dāng)通過針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬手段，系統(tǒng)分析界面演變過程中主要作用力的時(shí)空變化規(guī)律，結(jié)合平面膜/凸面膜、軟球-硬球/壁面等模型分析共性動(dòng)力學(xué)機(jī)制，總結(jié)凝煉壁面、顆粒及流場(chǎng)等多因素耦合作用下的擠壓排液機(jī)理。綜合Plateau-Rayleigh 不穩(wěn)定性等微觀破裂機(jī)制，建立基于流體力學(xué)穩(wěn)定性的臨界擾動(dòng)波長分析等理論模型，并根據(jù)不同條件下的氣泡特性及關(guān)鍵作用因素進(jìn)行拓展改進(jìn)與模型化（如界面作用的曲率表達(dá)方式），有助于增進(jìn)對(duì)微通道乃至宏觀尺度下的分散相界面不穩(wěn)定斷裂機(jī)理認(rèn)識(shí)。

此外，微通道多相流研究應(yīng)注重實(shí)際需求及工藝特點(diǎn)的結(jié)合，將工藝匹配性與工程化應(yīng)用的前景作為貫穿研究始終的考慮重點(diǎn)（圖10）[64]。例如根據(jù)工藝對(duì)于傳質(zhì)系數(shù)的需求、通過調(diào)節(jié)氣泡破裂過程控制氣-液相界面面積；在并行放大方面開發(fā)提升多相流體分布穩(wěn)定性的方法，實(shí)現(xiàn)氣泡及能量分散有序，同時(shí)要考慮真實(shí)操作條件如工況波動(dòng)、設(shè)備加工精度、物性和溫度變化等因素；在反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程要兼顧傳遞-反應(yīng)效率與安全性，同時(shí)考慮壓降等對(duì)工藝流程具有重要影響的參數(shù)。

3 結(jié)語

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，微反應(yīng)器等微通道設(shè)備在許多領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，微通道中的多相流體力學(xué)研究也取得了許多顯著的成果，但是作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，由于微通道的尺度特征，同時(shí)多相流動(dòng)往往存在瞬時(shí)性、非均勻性、復(fù)雜性等特征，很多機(jī)理仍未明確，實(shí)現(xiàn)多相微通道設(shè)備的高效設(shè)計(jì)和工業(yè)應(yīng)用依舊存在困難。

本文介紹了微尺度分散相行為的研究進(jìn)展，深入理解并調(diào)控氣泡的形變與破裂、優(yōu)化尺寸分布與多相分散過程對(duì)于體系的熱質(zhì)傳遞、反應(yīng)效率乃至并行放大均具有重要意義，研究者已經(jīng)開展了一系列卓有成效的研究，但是對(duì)于微通道復(fù)雜限域結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣泡形變與破裂機(jī)理認(rèn)識(shí)仍不夠充分。重點(diǎn)分析了微尺度氣泡界面的局部不穩(wěn)定機(jī)制，總結(jié)了含有固相等限域體系的研究進(jìn)展，然后圍繞研究體系構(gòu)建、研究方法改進(jìn)、相間作用解析以及工程化需求匹配等方面對(duì)下一步研究與發(fā)展方向提出了展望。通過構(gòu)建從擬二維狹縫、孔喉結(jié)構(gòu)逐步拓展到固定顆粒體系的研究思路，一方面可以制造典型的氣泡局部不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，以便于考察破裂過程；另一方面，能夠多維度、多層次地系統(tǒng)研究受限狹窄空間內(nèi)的氣泡形變與破裂機(jī)理，結(jié)合多種精確高效的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬手段，突破已有研究中僅單維度或單層次分析的局限，有助于豐富并加深微通道尺度的多相流體力學(xué)機(jī)理認(rèn)識(shí)，推進(jìn)微通道內(nèi)多相流的精確控制與傳遞過程強(qiáng)化，為多相微反應(yīng)器技術(shù)提供理論支撐和科學(xué)指導(dǎo)。