近期，中國科學院上海高等研究院研究員唐志永和副研究員張潔帶領的工程科學團隊在流動化學氣液泰勒流的精準調控研究中取得進展。相關研究成果以Regulation of Gas-Liquid Taylor Flow by Pulsating Gas Intake in Micro-channel為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal上，博士張亞恒為論文第一作者。

微通道反應器具有熱質傳遞速率快、內在安全性高、易集成放大等優(yōu)點，在流動化學領域強化材料、精細化學品合成等方面具有應用潛力。在眾多流型中，氣液泰勒流操作區(qū)域寬、軸向返混低、徑向混合好，是一種適合各類反應的理想操作流型。然而，如何高效調控氣液泰勒流，進而實現(xiàn)微尺度下反應過程的精準控制和強化具有挑戰(zhàn)性。

在此背景下，研究人員提出一種利用脈動力場以精確調控氣液段塞流的新方法。整個體系利用脈動進氣，使氣液流動系統(tǒng)受到周期性的強慣性力作用的施加，從而調控液柱內部的徑向混合和軸向擴散。相對超聲等其他外加力場，該方法操作簡單，僅需一個電磁閥系統(tǒng)即可達到調控目的。

該研究結合可視化流動實驗研究和流體動力學CFD仿真，分析研究了脈動進氣方式調控氣液段塞流的時空遷移規(guī)律特征。研究人員利用高速攝像機實驗，測得脈動工況下微尺度氣液界面運動速度和加速度的特征值，并將實驗氣泡長度與模擬結果對比，有效驗證了CFD模型的準確性。此外，還分析了氣泡形成過程中涉及的作用力及脈動力場下氣泡長度和速度特征。研究發(fā)現(xiàn)，脈動效應可增大慣性力對流型的施加影響，氣泡主體流動速度隨時間呈周期性波動，且主波動頻率與脈動頻率相同。

該研究為流動化學氣液泰勒流提供了新的調控思路，可作為一種普適的方法在強化微通道中化學反應過程中得到應用。研究工作得到中科院青年創(chuàng)新促進會、中科院STS計劃和殼牌前瞻科學項目的資助。

論文鏈接

圖1.矩形波脈動進氣調控微通道氣液泰勒流

圖2.微通道中氣泡形成過程中氣體相分布變化（v0=0.1m/s, ε=0.5, f=8Hz）

圖3.（a）T型氣液兩相匯集處各作用力與脈動頻率關系，（b）兩相匯合后下游位置的氣泡速度曲線（v0=0.1m/s, ε=0.5, f=8Hz）