周云龍 田 敏 王 迪

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

微通道以其高效及靈活等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于微化工、石油、能源及環(huán)境等行業(yè)中[1～3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)直微通道內(nèi)的氣液兩相流流型進(jìn)行了大量的研究，Triplett K A等實(shí)驗(yàn)研究了內(nèi)徑為1.10mm的圓形微通道與當(dāng)量直徑為1.09mm的半三角形微通道內(nèi)的空氣-水兩相流動(dòng)，觀(guān)察到氣泡流、擾動(dòng)流、彈狀流、彈狀-液環(huán)流和液環(huán)流[4]；Zhang P和Fu X對(duì)內(nèi)徑為0.531mm的圓形微通道內(nèi)豎直向上流動(dòng)的氮?dú)?液氮兩相流流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，除觀(guān)察到氣泡流、彈狀流、擾動(dòng)流和液環(huán)流外，還發(fā)現(xiàn)有限制氣泡流、霧狀流和氣泡濃縮擺動(dòng)流[5]。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于彎曲微通道內(nèi)氣液兩相流的研究幾乎沒(méi)有。緊湊型微小型熱交換器[6]的彎曲處氣液分配不均會(huì)導(dǎo)致傳熱惡化；微化工反應(yīng)器[7]內(nèi)流體的混合主要靠分子擴(kuò)散，混合微通道設(shè)計(jì)成彎曲狀對(duì)提高混合效率有很大作用?；趶澢⑼ǖ赖膬?yōu)點(diǎn)，Kumar V等對(duì)直徑為0.5mm、不同曲率比的T型和Y型進(jìn)口下彎曲微通道內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬[8]，但該研究只局限于Taylor流，且研究的正確性缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明。Donaldson A A等利用高速攝像儀研究了曲率比為6的水平多U型蛇形管內(nèi)的氣液兩相流，發(fā)現(xiàn)彎頭內(nèi)的二次流既分裂成大長(zhǎng)氣泡又聚合成小氣泡，但沒(méi)有研究其他曲率比下的氣液流動(dòng)特性[9]。

筆者以空氣和水為工質(zhì)，研究不同曲率比下正方形截面為0.8mm×0.8mm的彎曲微通道內(nèi)的氣液兩相流，希望能對(duì)合理設(shè)計(jì)微型換熱器和微化工混合器的氣液流動(dòng)分布結(jié)構(gòu)、保證微通道內(nèi)優(yōu)異的傳熱傳質(zhì)特性提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由空氣壓縮機(jī)、精密高壓液體注射泵、實(shí)驗(yàn)段、水箱和氣水分離器組成。實(shí)驗(yàn)以空氣和水為工質(zhì)，水由型號(hào)為Harvard PHD Hpsi 22/2000的精密高壓液體注射泵推動(dòng)，最大流量可達(dá)7 000mL/h；空氣經(jīng)壓縮機(jī)、氣體流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥門(mén)進(jìn)入彎曲微通道內(nèi)，氣水混合物流出實(shí)驗(yàn)段進(jìn)入氣水分離器。彎曲微通道是以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基材加工制作而成的科研類(lèi)微流控芯片。高速攝影儀采用瑞士Weinberger 公司Speed Cam Visario系統(tǒng)，最大分辨率為1536×1024，最大幀頻10 000幀/s，可以十分清晰地拍攝兩相流的流型變化。實(shí)驗(yàn)中使用500W碘鎢燈進(jìn)行照明，在圖像采集過(guò)程中采用逆光照明。實(shí)驗(yàn)段后側(cè)放置硫酸紙，它可使光線(xiàn)分布均勻。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2微通道尺寸

實(shí)驗(yàn)段采用刻蝕技術(shù)加工不同尺寸的彎曲微通道(圖2)，彎曲微通道由完全相同的Ⅰ、Ⅱ兩弧段組成，截面為0.8mm×0.8mm的正方形。實(shí)驗(yàn)段取4個(gè)直徑為2mm的孔作為進(jìn)/出口和壓力測(cè)點(diǎn)，氣液兩相混合區(qū)域長(zhǎng)度為5mm。定義水力直徑為dh，曲率比λ=D/dh，dh=4Ae/Pe=4a2/4a=a，則λa=Da/dh=12/0.8=15，λb=Db/dh=20/0.8=25。

a. λa=15

b. λb=25

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1氣液兩相流流型

實(shí)驗(yàn)的氣相、液相流量分別為100～23 040、100～3 000mL/h，對(duì)應(yīng)的表觀(guān)氣速UG為0.043～ 10.000m/s，表觀(guān)液速UL為0.043～1.300m/s。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到5種典型流型，并發(fā)現(xiàn)非典型的分散泡狀流和波狀分層流。

彎曲微通道內(nèi)的毛細(xì)泡狀流如圖3所示。由圖3a看出，大小幾乎均勻的稍扁球形氣泡充滿(mǎn)整個(gè)流道截面，這與文獻(xiàn)[10]得到的水平正方形截面直微通道內(nèi)的毛細(xì)泡狀流非常相似。圖3b顯示，隨著表觀(guān)液速的增大，彎曲段小氣泡受到外側(cè)液體的擠壓，分布在內(nèi)側(cè)并開(kāi)始變形，氣泡直徑變小，在離開(kāi)彎曲弧段的上升過(guò)程中開(kāi)始聚積，小氣泡之間的距離變小且不均勻。稍扁球形小氣泡在離開(kāi)彎曲弧段時(shí)變大，形狀恢復(fù)成球形，這是因?yàn)闅馀蓦x開(kāi)彎曲弧段時(shí)受外側(cè)液體的擠壓力減小，表面張力重新占主導(dǎo)地位，維持小氣泡為球形。

a. UL=0.470m/s，UG=0.043m/s

b. UL=0.520m/s，UG=0.043m/s

在毛細(xì)泡狀流流動(dòng)情況下，增加表觀(guān)液速，流型特性很快發(fā)生了變化(圖4)。微小氣泡直徑變得極其微小，且分布在連續(xù)液相中，筆者將其定義為非典型毛細(xì)泡狀流。圖4a中微小氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡很容易受液相運(yùn)動(dòng)的影響，有些氣泡在進(jìn)入彎曲弧段時(shí)受液體二次流的影響位置變得混亂。表觀(guān)液速增加到0.900m/s時(shí)出現(xiàn)了圖4b所示的流動(dòng)情況，微小氣泡在彎曲弧段內(nèi)非常規(guī)律地排列在內(nèi)側(cè)，形狀不再是軸對(duì)稱(chēng)的小球形氣泡，尾部不再是光滑的半球形，整體變得狹長(zhǎng)，近似于傾斜的小橄欖球形。進(jìn)入直管段時(shí)，盡管受到的液體壓力減小，但氣泡仍沒(méi)有恢復(fù)球形且位于管道的一側(cè)，這是因?yàn)橐后w在彎曲弧段時(shí)受到離心力的作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向運(yùn)動(dòng)，被甩向外側(cè)碰壁回流作用于微小氣泡，使其離開(kāi)彎曲弧段進(jìn)入直管段時(shí)來(lái)不及充滿(mǎn)整個(gè)直管截面。

a. UL=0.600m/s，UG=0.043m/s

b. UL=0.900m/s，UG=0.043m/s

圖5為彎曲微通道內(nèi)的彈狀流，圖5a為標(biāo)準(zhǔn)彈狀流，氣彈的頭部和尾部都是規(guī)則的半球形，并沿軸向?qū)ΨQ(chēng)，氣彈的內(nèi)外兩側(cè)與管壁間的液膜厚度幾乎沒(méi)有差別，這與文獻(xiàn)[11]描述的彈狀流特性一致。當(dāng)表觀(guān)氣速進(jìn)一步增加、表觀(guān)液速進(jìn)一步減小時(shí)，圖5c、d顯示的彈狀流氣彈被拉長(zhǎng)，氣彈形成時(shí)間增加，且氣彈數(shù)量減小。此外，從圖5d還可以看出，逐步發(fā)展的長(zhǎng)氣彈在彎曲段拉長(zhǎng)時(shí)被外側(cè)液體剪切力截?cái)唷?/p>

a. UL=0.217m/s，UG=0.086m/s

b. UL=0.170m/s，UG=0.260m/s

c. UL=0.043m/s，UG=0.130m/s

d. UL=0.043m/s，UG=0.430m/s

從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，圖5b的彈狀流流型特性和圖5a、c、d的有著顯著差異，圖5b中氣彈頭部呈子彈形，尾端斜向彎曲微通道內(nèi)側(cè)形成尖角，氣彈外側(cè)液膜的厚度大于內(nèi)側(cè)液膜的厚度。此時(shí)的彈狀流已偏離軸對(duì)稱(chēng)形狀，氣彈剛離開(kāi)彎曲微通道，其尾端很快變?yōu)楣饣钠教範(fàn)?，且其長(zhǎng)度隨之增加。另外，氣液界面呈現(xiàn)的由彎管內(nèi)側(cè)伸向外側(cè)且與流動(dòng)方向夾角為銳角的條紋說(shuō)明，液相局限于在管壁附近的薄液膜內(nèi)流動(dòng)，彎管內(nèi)液相的二次流效應(yīng)使液相向氣液界面施加切應(yīng)力，導(dǎo)致氣核旋轉(zhuǎn)，此時(shí)的二次流流線(xiàn)可能是螺旋狀流線(xiàn)。這與文獻(xiàn)[12]研究的微重力下小通道內(nèi)氣液兩相流的結(jié)果比較吻合。

為了全面地研究彎曲微通道內(nèi)流型特性，對(duì)高速區(qū)不同氣液表觀(guān)速度下的工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到的流型如圖6所示。

a. 間歇流(UL=0.210m/s，UG=1.500m/s)

b. 波狀分層流(UL=0.100m/s，UG=1.300m/s)

c. 擾動(dòng)流(UL=0.900m/s，UG=2.000m/s)

d. 環(huán)狀流(UL=1.700m/s，UG=7.000m/s)

圖6a顯示在彎曲微通道弧段，氣液界面波動(dòng)增強(qiáng)，氣相沿軸向連續(xù)充滿(mǎn)整個(gè)管道截面，形成軸向不對(duì)稱(chēng)的間歇流。間歇流的形成是氣液兩相離心力相互抗衡的結(jié)果，在彎曲弧段液相受到離心力被甩向外側(cè)，碰到管壁回流與受到強(qiáng)離心力的氣相強(qiáng)烈作用。當(dāng)離心力使得氣液兩相相互作用且各自連續(xù)時(shí)，便形成了直微通道少見(jiàn)的波狀分層流(圖6b)，此時(shí)液相主要分布在彎曲弧段外側(cè)。

彎曲微通道內(nèi)氣液兩相的表觀(guān)速度都相對(duì)較大時(shí)形成了擾動(dòng)流(圖6c)，彎曲弧段氣液界面既存在彎曲微通道內(nèi)側(cè)伸向外側(cè)的條紋，又存在外側(cè)伸向內(nèi)側(cè)的條紋，且氣核繞軸高速旋轉(zhuǎn)。這是因?yàn)橐合嗍艿綇?qiáng)烈的離心力使之撞擊彎曲微通道外側(cè)，回流分為兩股分別沿管壁向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)擠壓氣相，形成強(qiáng)烈的斜方向剪切力，將長(zhǎng)的氣核剪成兩條絲狀條帶。

從圖6d可以看出，液相受離心力的作用撞到彎曲微通道外側(cè)，回流擠壓氣相使其凹陷，但不足以使高速的氣相長(zhǎng)氣泡斷裂，從而形成環(huán)狀流。氣相在流道中心流動(dòng)，液相緊貼流道壁面形成液膜狀流動(dòng)，且彎曲微通道外側(cè)液膜厚度大于內(nèi)側(cè)液膜厚度。

綜上所述，彎曲微通道離心力作用對(duì)氣液兩相流流型和流型特性的影響比較顯著：當(dāng)離心力作用不明顯時(shí)，表面張力維持的毛細(xì)泡狀流和彈狀流特性無(wú)異于直微通道的；當(dāng)離心力作用明顯時(shí)，出現(xiàn)了非典型毛細(xì)泡狀流和波狀分層流，且其流型特性和直微通道內(nèi)的典型流型特性存在較大差異。

2.2氣液兩相流流型圖

圖7為由實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理得到的流型圖和流型轉(zhuǎn)變界限。在表觀(guān)氣速低于0.210m/s、表觀(guān)液速高于0.347m/s的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了毛細(xì)泡狀流；在此范圍內(nèi)，隨著表觀(guān)液速的增加，出現(xiàn)了非典型毛細(xì)泡狀流；表觀(guān)氣速為0.210～1.000m/s時(shí)，主要形成了彈狀流和拉長(zhǎng)彈狀流；表觀(guān)氣速大于1.000m/s時(shí)，隨表觀(guān)液速的變化出現(xiàn)了波狀分層流、間歇流和擾動(dòng)流；在表觀(guān)液速低于0.600m/s、表觀(guān)氣速大于7.000m/s的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了環(huán)狀流。間歇流和擾動(dòng)流的轉(zhuǎn)變表觀(guān)液速約為0.500m/s，彈狀流和間歇環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變表觀(guān)氣速約為0.800m/s。對(duì)比圖7發(fā)現(xiàn)：隨著曲率比λ的減小，毛細(xì)泡狀流轉(zhuǎn)變表觀(guān)液速略有上升，這可能是因?yàn)樵趶澢《我后w壓降增大，而氣體壓降相對(duì)液體變化不明顯，導(dǎo)致液體對(duì)氣泡的作用力減小，氣泡的軸向、徑向長(zhǎng)度就會(huì)變長(zhǎng)、變大向彈狀流發(fā)展，所以轉(zhuǎn)變表觀(guān)液速的提升可以彌補(bǔ)液體彎曲弧段的壓力損失；波狀分層流、間歇流和環(huán)狀流向較小表觀(guān)氣速方向移動(dòng)，轉(zhuǎn)變提前；波狀分層流和間歇流區(qū)域擴(kuò)大，這是因?yàn)榱鲃?dòng)方向的急劇轉(zhuǎn)變加強(qiáng)了氣液界面的動(dòng)量交換，界面更易波動(dòng)，離心力作用的增強(qiáng)使彎曲微通道內(nèi)的氣液兩相流更趨于分離，再加上二次流擾動(dòng)引起的氣液相互作用，所以較小的曲率比更容易引發(fā)波狀分層流和間歇流。

a. λa=15

b. λb=25

2.3與相同(相近)水力直徑的其他直微通道流型轉(zhuǎn)變對(duì)比

圖8為本實(shí)驗(yàn)、dh=0.8mm的正方形截面直微通道[13]、dh=0.866mm的豎直三角形直微通道[14]和dh=0.8～1.0mm的圓形截面直微通道[15]的流型轉(zhuǎn)變界限比較，文獻(xiàn)[13]把擾動(dòng)流定義為泡沫狀流，沒(méi)有出現(xiàn)泡狀流，取而代之的是彈狀流出現(xiàn)在該區(qū)域。文獻(xiàn)[14]把擾動(dòng)流定義為攪拌流，觀(guān)察到了4種典型流型。文獻(xiàn)[15]對(duì)水力直徑為0.8～1.0mm的圓形微通道做了實(shí)驗(yàn)，采用平均的方法得到了dh<1.0mm微通道的普適性流型轉(zhuǎn)換界限。

由圖8的轉(zhuǎn)變界限可以發(fā)現(xiàn)：

a. 本實(shí)驗(yàn)的泡狀流區(qū)域位于文獻(xiàn)[14]的泡狀流范圍內(nèi)。隨表觀(guān)氣速的增加，文獻(xiàn)[13，14]的流型轉(zhuǎn)變線(xiàn)中攪拌流(泡沫狀流)轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流，而本實(shí)驗(yàn)中擾動(dòng)流不再發(fā)展為環(huán)狀流，而是間歇流；本實(shí)驗(yàn)環(huán)狀流轉(zhuǎn)變表觀(guān)氣速提前。

b. 文獻(xiàn)[15]的普適性流型轉(zhuǎn)換界限圖基本適用于本實(shí)驗(yàn)，其泡狀流和間歇流之間的轉(zhuǎn)換界限BI和本實(shí)驗(yàn)泡狀流和彈狀流之間的轉(zhuǎn)換界限BS十分相似。間歇流和攪拌流之間的轉(zhuǎn)換界限

圖8 流型轉(zhuǎn)換界限比較圖

IC對(duì)應(yīng)的表觀(guān)氣速和表觀(guān)液速比本實(shí)驗(yàn)中向擾動(dòng)流轉(zhuǎn)換的要大，間歇流和環(huán)狀流之間的轉(zhuǎn)換界限IA和本實(shí)驗(yàn)的相應(yīng)轉(zhuǎn)變界限IA趨勢(shì)基本一致，但其轉(zhuǎn)換氣、液表觀(guān)速度都向變大的方向推移了。

通過(guò)以上分析比較可以看出：泡狀流轉(zhuǎn)變邊界的位置和其他直微通道的比較相似；隨著表觀(guān)氣速的增加，彈狀流與擾動(dòng)流之間的轉(zhuǎn)換界限、間歇流與環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的表觀(guān)氣速都提前。

3 結(jié)論

3.1彎曲微通道離心力作用對(duì)氣液兩相流流型和流型特性的影響比較顯著：當(dāng)離心力作用不明顯時(shí)，表面張力維持的毛細(xì)泡狀流和彈狀流特性無(wú)異于直微通道的；當(dāng)離心力作用明顯時(shí)，出現(xiàn)了非典型毛細(xì)泡狀流和波狀分層流，且其流型特性和直微通道內(nèi)的典型流型特性存在較大差異。

3.2隨著曲率比λ的減小，毛細(xì)泡狀流的轉(zhuǎn)變表觀(guān)液速略有上升；波狀分層流、間歇流和環(huán)狀流向較小表觀(guān)氣速方向移動(dòng)，轉(zhuǎn)變提前；波狀分層流和間歇流區(qū)域擴(kuò)大。

3.3泡狀流轉(zhuǎn)變邊界的位置和其他直微通道的比較相似；隨著表觀(guān)氣速的增加，彈狀流與擾動(dòng)流之間的轉(zhuǎn)換界限、間歇流與環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的表觀(guān)氣速都提前。

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