[发明专利]一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法

说明书

本发明公开了一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法。本发明通过在流体介质中布置n根超亲气丝轨道，超亲气丝轨道间的夹角是上大下小。当气泡从超亲气丝轨道下端粘上，在浮力和粘附力的作用下，克服气泡的表面张力，进而导致气泡的分裂。分裂后生成的n个子气泡也在浮力和粘附力的作用下，沿着超亲气丝轨道定向滑移。通过控制超亲气丝轨道的数量n来控制分裂后气泡的数量、大小；通过控制超亲气丝轨道直径D来控制分裂后气泡的滑移速率；通过控制超亲气丝轨道之间的夹角θ来控制分裂后气泡的滑移速率和实现分裂后气泡的定向运输。本发明中的气泡制备简单，成本低，无需外部的能源驱动，仅在浮力和粘附力的作用下，实现气泡的分裂。

技术领域

本发明属于多相流技术领域，具体涉及利用多根超亲气丝轨道控制气泡在液体溶液中进行分裂和滑移。

背景技术

在自然界和现代工业的生产过程中，气液两相流现象无处不在，它与我们的日常生活关系密切。目前，在能源动力工程中的锅炉、石油、天然气的输送过程，冶金工程中的熔炼炉，化学工程设备中的各式气—液反应器，生物环境工程中的污水处理过程和造纸过程，选矿工程中的浮选过程中，都广泛存在气液两相流动。在两相流体系中气体通常以气泡形式分散到液体中。所以在气液两相系统中，存在着大量的气泡。气泡的形成、分裂及其因浮力的上升运动是气液两相流中重要的基本现象。

在诸如化工、能源、污水处理、船舶设计等领域，气泡被广泛地运用。液态流体中上升气泡的操控对矿物泡沫浮选、热交换系统、鼓泡反应器、污水处理和水力减阻等过程至关重要。泡沫浮选时，气泡在液相中停留时间和运动历程越长（即降低气泡的滑移速度），越会吸附矿物，由此对矿物浮选越有利；在热交换系统中，大气泡会阻碍系统的热交换，可以通过把大气泡分裂成小气泡，增大气泡的比表面积，以此来提高系统的传热效率。此外，小气泡具有的较大的比表面积，增大了物理/化学反应中反应物的接触面积，大大提高了反应效率。综上，气泡的分裂操控和滑移运动控制对上述诸多工业过程而言非常重要。

目前气泡的分裂多见于微流控芯片中，通过流体的剪切应力和压力共同作用，使得气泡分裂。但此方法不太便利，效果较差。

发明内容

为了实现气泡的分裂操控和滑移运动控制，本发明提供了一种无需外部能量输入的诱导气泡分裂和定向输运的方法，利用气泡在多根超亲气丝上几何梯度的变化，通过丝轨道对气泡施加的粘附力使得气泡进行分裂，并通过浮力和丝轨道的粘附力使得分裂后的气泡沿着丝轨道进行定向滑移。

本发明通过在流体介质中布置 n根超亲气丝轨道，超亲气丝轨道之间为非平行布置，超亲气丝轨道间的夹角是上大下小。当气泡从超亲气丝轨道下端粘上，在浮力和粘附力的作用下，克服气泡的表面张力，进而导致气泡的分裂。分裂后生成的 n个子气泡也在浮力和粘附力的作用下，沿着超亲气丝轨道定向滑移。通过控制超亲气丝轨道的数量 n来控制分裂后气泡的数量、大小；通过控制超亲气丝轨道直径 D来控制分裂后气泡的滑移速率；通过控制超亲气丝轨道之间的夹角 θ来控制分裂后气泡的滑移速率和实现分裂后气泡的定向运输。

所述的流体介质可以为不破坏丝轨道超亲气性的牛顿流体或者非牛顿流体；

所述的超亲气丝轨道数量 n≥2；

所述的超亲气丝轨道夹角 θ为5°~180°；