微通道反應(yīng)器具有熱質(zhì)傳遞速率快、內(nèi)在安全性高、易集成放大等優(yōu)點(diǎn)，在流動(dòng)化學(xué)領(lǐng)域強(qiáng)化材料、精細(xì)化學(xué)品合成等方面具有應(yīng)用潛力。在眾多流型中，氣液泰勒流操作區(qū)域?qū)?、軸向返混低、徑向混合好，是一種適合各類反應(yīng)的理想操作流型。然而，如何高效調(diào)控氣液泰勒流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微尺度下反應(yīng)過程的精準(zhǔn)控制和強(qiáng)化具有挑戰(zhàn)性。

在此背景下，研究人員提出一種利用脈動(dòng)力場(chǎng)以精確調(diào)控氣液段塞流的新方法。整個(gè)體系利用脈動(dòng)進(jìn)氣，使氣液流動(dòng)系統(tǒng)受到周期性的強(qiáng)慣性力作用的施加，從而調(diào)控液柱內(nèi)部的徑向混合和軸向擴(kuò)散。相對(duì)超聲等其他外加力場(chǎng)，該方法操作簡單，僅需一個(gè)電磁閥系統(tǒng)即可達(dá)到調(diào)控目的。

該研究結(jié)合可視化流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究和流體動(dòng)力學(xué)CFD仿真，分析研究了脈動(dòng)進(jìn)氣方式調(diào)控氣液段塞流的時(shí)空遷移規(guī)律特征。研究人員利用高速攝像機(jī)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得脈動(dòng)工況下微尺度氣液界面運(yùn)動(dòng)速度和加速度的特征值，并將實(shí)驗(yàn)氣泡長度與模擬結(jié)果對(duì)比，有效驗(yàn)證了CFD模型的準(zhǔn)確性。此外，還分析了氣泡形成過程中涉及的作用力及脈動(dòng)力場(chǎng)下氣泡長度和速度特征。研究發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)效應(yīng)可增大慣性力對(duì)流型的施加影響，氣泡主體流動(dòng)速度隨時(shí)間呈周期性波動(dòng)，且主波動(dòng)頻率與脈動(dòng)頻率相同。

該研究為流動(dòng)化學(xué)氣液泰勒流提供了新的調(diào)控思路，可作為一種普適的方法在強(qiáng)化微通道中化學(xué)反應(yīng)過程中得到應(yīng)用。研究工作得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中科院STS計(jì)劃和殼牌前瞻科學(xué)項(xiàng)目的資助。

圖1.矩形波脈動(dòng)進(jìn)氣調(diào)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(dòng)頻率關(guān)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）

來源：中國科學(xué)院上海高等研究院