楊　美，臧　新，周云龍

(1.東北電力大 學能源與動力工程學院,吉林 吉林 132012；2.中廣核工程有限公司,廣東 深圳 518000)

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微小三通管彈狀流與環(huán)狀流相分配機理對比研究

楊美1，臧新2，周云龍1

(1.東北電力大 學能源與動力工程學院,吉林 吉林 132012；2.中廣核工程有限公司,廣東 深圳 518000)

采用計算流體動力學方法，通過改變支管傾角，對微小三通管道模型進行了數(shù)值模擬，研究了入口流型為彈狀流和環(huán)狀流時，微小三通管道的相分配特性，分析了管道中氣相和液相的體積分數(shù)分布規(guī)律。結果表明，微通道內(nèi)的相分離特性受上游兩相流流型影響。彈狀流氣相優(yōu)先在支管中采出，而環(huán)狀流的液相優(yōu)先在支管中采出。對比研究微小三通管彈狀流與環(huán)狀流相分配機理,入口流型為環(huán)狀流時，支管傾角為60°的管內(nèi)流動，經(jīng)過三通管道，延續(xù)環(huán)狀流穩(wěn)定方面有較大優(yōu)勢，可獲得最佳的相均勻分配;入口流型為彈狀流時，當支管傾角減小為20°和30°時，兩者質(zhì)量分離效率相差小于5%，質(zhì)量分離效率最低，可獲得最佳的相均勻分配。

相分配；微小三通道；彈狀流；環(huán)狀流

在微化工領域內(nèi)，緊湊型和微小型熱交換器的需求日益增加，如燃料電池周圍需要配置大量水力半徑在微米級的熱交換器。三通管是一種常用的流體分配器，不可避免會出現(xiàn)相分配不均的情況[1-2]，工程上總是希望工質(zhì)可以均勻分配給下游，以免影響下游設備的正常運行。

氣液兩相流在微通道中流動經(jīng)過三通管道時，會出現(xiàn)氣相和液相分配比例不一樣，在主管和支管中的空氣和水的百分比有明顯差異。含氣率高的管道會出現(xiàn)設備干燒現(xiàn)象，嚴重影響管道的安全運行，甚至出現(xiàn)管道爆裂情況,Alamua M B[3]，Wren E[4]對相分配不均情況做了詳細的研究。因此，微小三通管內(nèi)的流量分配及相分配特性的研究顯得越來越重要。

近些年來針對氣液兩相流過T形管時的相分布已進行了較深入的研究，對于氣液兩相流流動的分配特性，國內(nèi)外已經(jīng)進行了深入的探討和研究[5-7]。在微小通道中相分配的情況只有少數(shù)人研究，Stacey T開始用數(shù)值模擬方法來模擬部分實驗結果[8]，Kim等[9]人通過可視化實驗發(fā)現(xiàn)微通道由于管壁之間空間狹小，氣體很難攜帶液滴，液體只會以液膜的形式流動。這些都是對5mm以上常規(guī)尺寸通道下的研究，在微小通道中相分配的研究只有一小部分，本文針對微小三通管彈狀流和環(huán)狀流相分配特性對比研究，探討氣液兩相流相分配機理。

1　微小三通管物理模型

微小三通通道截面積為矩形(100 μm×800 μm)，主管為彈狀流流動，主支管與側支管長度均為1 cm。模擬流體為氮氣和質(zhì)量分數(shù)為0.01%的十二烷基硫酸鈉水溶液(0.01%SDS)。本方案選了6組主管與支管夾角θ，平面圖如圖1所示，整個詳細的模擬過程參見文獻[10]所述。

2　模擬結果與分析

2.1數(shù)值模擬的可行性和準確性

為了驗證計算流體動力學(CFD)模擬結果的可行性和準確性，將本模型與周云龍[11]實驗所做的T型微通道兩相流彈狀流型和環(huán)狀流進行對比，模擬結果與實驗結果有很好的一致性[11-12]。

2.2支管傾角對彈狀流和環(huán)狀流相分配的影響

支管出口液相采出分率計算公式

F3w=M3w/M1w×100% ，

(1)

式中：M3w與M1w分別為支管出口液相質(zhì)量流率和主管入口液相質(zhì)量流率，kg/s。

支管出口氣相采出分率計算公式

F3a=M3a/M1a×100% ，

(2)

式中：M3a與M1a分別為支管出口氣相質(zhì)量流率和主管入口的氣相質(zhì)量流率，kg/s。該流動為非穩(wěn)態(tài)流動，在不同時刻支管采出率是不同的，取各個時間段的時均值。

通過對微小三通管道模型的數(shù)值模擬，得到入口流型為彈狀流和入口流型為環(huán)狀流時，不同支管傾角下的微小三通管道的相分配特性。對角線為兩相均勻分配的等分線，如圖2、圖3所示。

圖2　不同支管傾角對彈狀流相分配特性

圖3　不同支管傾角環(huán)狀流的相分配特性

支管傾角不同時，彈狀流的相分配特性不同，支管出口氣相采出分率總大于支管出口液相采出分率，如圖2所示。說明彈狀流在管內(nèi)發(fā)生了不均勻分離，此時支管氣相采出占優(yōu)。在氣液彈狀流中，氣彈和液彈交替流動，氣體和液體因為密度差大，液體的動能大于氣體的動能[13]，在分叉處液體不易于改變流動方向進入支管中，而大量氣體進入支管，造成支管中氣相采出分率大于液相采出分率。當支管傾角減小時，分離效率逐漸降低。支管傾角越大，連接處動能損失越大，氣體動能損失大于液體動能損失，導致大量氣體改變方向進入支管，而液體選擇進入主管，很少部分進入側支管。傾角越大，流入側支管的氣體體積分數(shù)越大，造成相分配不均越明顯。

環(huán)狀流在一定范圍內(nèi)改變支管傾角對連接處的相分布有明顯影響，如圖3所示。由于氣液兩相環(huán)狀流中，中間氣流速度通常很大，而兩側液膜速度相對較小。氣流區(qū)通過液膜交界面的拖拽作用使液膜上升速度高于液體入口速度。通過氣液剪切機理，管道內(nèi)壁面的剪切應力是環(huán)狀流的主要流動阻力。在連接處，壁面附近的粘性力占主導地位，液體慣性力相對較小，近壁側的液膜隨著壁面粘性力和氣體對液體的剪切應力進入支管，而中間氣流速度較大，且不受壁面粘性力影響，其慣性力占主導地位，大部分流進主管道。支管傾角較小時，在延續(xù)環(huán)狀流流場穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢，氣體在側支管的體積分數(shù)大于在主管中的體積分數(shù)。

2.3支管傾角對彈狀流和環(huán)狀流相分配機理對比研究

2.3.1支管傾角為90°時環(huán)狀流與彈狀流的相分配特性對比

圖4　環(huán)狀流與彈狀流的相分配對比圖

主管與支管傾角為90°時氣液兩相的相分配特性，如圖4所示。液體速度為0.05 m/s、氣體速度為0.05時的環(huán)狀流與液體速度為0.035 m/s、氣體速度為0.1時的彈狀流相分配特性對比圖。由圖4可以觀察到，環(huán)狀流的數(shù)據(jù)大部分在兩相均勻分布線的上方，彈狀流的數(shù)據(jù)大部分在兩相均勻分布線的下方。這說明當流型為環(huán)狀流的時候，液體比氣體更容易從側支管采出；當流型為彈狀流的時候，液體比氣體更容易從側支管采出。

2.3.2改變支管傾角對環(huán)狀流與彈狀流的相分配特性對比

入口流型為環(huán)狀流時，當支管傾角為90°、120°、150°時，液相優(yōu)先從側支管中采出；支管傾角為30°時，氣相優(yōu)先從側支管中采出；支管傾角為60°時可獲得最佳的相均勻分配。通過微通道側支管結構的改進，減少相分配的不均勻性。

入口流型為彈狀流時，當支管傾角為20°-150°時，氣相優(yōu)先從側支管中采出。彈狀流的相分配在支管傾角越大時，質(zhì)量分離效率越高，大部分氣體選擇從側支管采出，發(fā)生了重新分配。當支管傾角減小時，分離效率逐漸降低，支管傾角減小為20°和30°時，此時分離效率相差小于5%，質(zhì)量分離效率最低，得到最佳的相均勻分配。

氣液兩相環(huán)狀流中，中間氣流速度通常很大，而兩側液膜速度相對較小。氣流區(qū)通過液膜交界面的拖拽作用，使液膜上升速度高于液體入口速度[14]。通過氣液剪切機理，管道內(nèi)壁面的剪切應力是環(huán)狀流的主要流動阻力。在連接處，壁面附近的粘性力占主導地位，液體慣性力相對較小，近壁側的液膜隨著壁面粘性力和氣體對液體的剪切應力進入支管，而中間氣流速度較大，且不受壁面粘性力影響，其慣性力占主導地位，大部分流進主管道。支管傾角較小時，在延續(xù)環(huán)狀流流場穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢，氣體在側支管的體積分數(shù)大于在主管中的體積分數(shù)。支管傾角越大，連接處動能損失越大，液體速度降低，環(huán)狀流中液體受到中心處速度大的氣體剪切作用越強，導致大量液體順著管壁流入側支管道。當傾角大于等于90°時，液體在側支管的體積分數(shù)大于在主管中的體積分數(shù)，出現(xiàn)相分配不均現(xiàn)象。

氣液彈狀流中，氣彈和液彈交替流動，氣體和液體因為密度差大，液體的動能大于氣體的動能，在分叉處液體不易于改變流動方向進入支管中，而大量氣體進入支管，造成支管中氣相采出分率大于液相采出分率。當在氣相速度一定時，隨著液相速度的增加，液體動能增大，液體更多的從主管中采出，造成支管中液相采出分率逐漸減小。在液相速度一定時，隨著氣相速度的增加，氣體的動能增加，氣體不易于改變流動方向，在分叉處選擇進入主管的氣體增加，造成支管中氣相采出分率逐漸減小。

2.4環(huán)狀流與彈狀流的最佳相均勻分配特性對比

圖5　環(huán)狀流與彈狀流的最佳相均勻分配對比圖

根據(jù)采用Yang[16]的方法，質(zhì)量采出分率與分離效率的關系得出：支管傾角為60°時，環(huán)狀流的質(zhì)量分離效率最低時，此時可獲得最佳的相均勻分配；支管傾角為30°時，彈狀流的質(zhì)量分離效率最低時，此時可獲得最佳的相均勻分配。環(huán)狀流和彈狀流此時分離效率都在10%以下，大致可以認為此時兩相在主管與支管均勻分布，此時兩相流經(jīng)過分叉處沒有發(fā)生相的重新分配，如圖5所示。在工程實際應用中，支管傾角為60°的三通管可以作為環(huán)狀流的相均勻分配管道；支管傾角為30°的三通管可以作為彈狀流的相均勻分配管道。

3　結　　論

入口流型為環(huán)狀流時，液相采出分率隨著液體的速度增加而減小，而氣體的速度對液相采出分率影響不大。當支管傾角為90°、120°、150°時，液相優(yōu)先從側支管中采出；支管傾角為30°時，氣相優(yōu)先從側支管中采出；支管傾角為60°的管內(nèi)流動，經(jīng)過三通管道，延續(xù)環(huán)狀流穩(wěn)定方面有較大優(yōu)勢，可獲得最佳的相均勻分配。

入口流型為彈狀流時，當支管傾角為90°、120°、150°時，液相優(yōu)先從側支管中采出；支管傾角為30°時，氣相優(yōu)先從側支管中采出；支管傾角為60°時，可獲得最佳的相均勻分配。入口流型為彈狀流時，當支管傾角為20°-150°時，氣相優(yōu)先從側支管中采出。當支管傾角減小時，分離效率逐漸降低，支管傾角減小為20°和30°時，此時分離效率相差小于5%，質(zhì)量分離效率最低，得到最佳的相均勻分配。

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Comparison the Mechanismof Phase Split of Slug and Annular Flow in Micro-Junction

Yang Mei1，Zang Xin2,ZHOU Yun-long1

(1.Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012；2.China Guangdong Nuclear Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518000)

Numerical simulation for micro-junction of different branch pipe dip angle was carried out by using the CFD method.The phase split characteristic of slug and annular flow in micro-junction was investigated and the phase volume fraction distribution was analyzed.The results show that Phase separation characteristics of micro channel is influenced by two phase flow upstream flow pattern.Slug priority in the branch current in phase extraction,whereas the annular flow of liquid produced in the branch pipe.Comparison mechanism of Phase Split of Slug and annular Flow in Micro-Junction.when the type inlet flow to annular flow,when the branch pipe dip angle is 60°,after a three-way pipes,continuation of annular flow stability has great advantages,the phase split characteristic is uniformity.when the type inlet flow to slug flow，F(xiàn)or the branch pipe dip angle of 20°and 30°,the quality of separation efficiency difference is less than 5%,causing a lowest quality separation efficiency.

Phase split flow；Micro-junction；Annular flow；Slug flow

2016-04-18

楊美(1988-)，女，貴州省銅仁市人，東北電力大學能源與動力工程學院助教，碩士，主要研究方向:氣液兩相流流動及傳熱.

1005-2992(2016)04-0073-05

TP29

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