周云龍 陳玉修 劉 旭

(1．東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院；2.中國石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院)

隨著自然科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展，微型化工的研究已經(jīng)成為一個重要發(fā)展趨勢。微米級的微通道研究也以其高效、靈活等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、石油、能源以及環(huán)境等行業(yè)中[1～3]。在化學(xué)工程領(lǐng)域方面，對于兩相流動的研究主要是關(guān)于流型、壓降、傳熱及傳質(zhì)等方面的研究。特別是在微化工技術(shù)中，不同的流型會有不同的流動機(jī)理和傳熱傳質(zhì)效果，氣液兩相流的壓降是極其重要的參數(shù)之一。

馬友光和劉瑋蒞對通道截面40μm×100μm、40μm×160μm的T型微通道；截面40μm×100μm，兩相入口夾角為120°的Y型微通道；截面40μm×100μm，兩相入口夾角為60°的Y型通道；截面40μm×100μm的兩相垂直型微通道內(nèi)的兩相流動進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析[4]。在氣液兩相(空氣-去離子水)流動的試驗(yàn)中觀察到了彈狀流、液環(huán)流和平行流。

聶晶堯等研究了當(dāng)量直徑為95.2μm微通道內(nèi)的壓降，采用均質(zhì)混合模型計算了該種微通道內(nèi)的壓降，并指出Cicchitti粘度公式可以進(jìn)行微通道內(nèi)的壓降計算[5]。Li J和Peterson G P研究了微通道當(dāng)量直徑為56μm的梯形、水平放置的微通道內(nèi)蒸汽-水的流動特性，觀察到了氣泡流、波狀流和環(huán)狀流[6]。Singh S G等對于當(dāng)量直徑為140±2μm的微通道進(jìn)行了水蒸氣-水的壓降影響研究[7]。根據(jù)參考文獻(xiàn)，微通道內(nèi)氣-液兩相流觀察到的主要流型有：泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流、層狀流以及霧狀流等。

如今，國內(nèi)對于微通道的研究主要是以非圓截面Y型和單級或雙級T型通道為主。筆者主要研究了非圓截面U型并列(三通道)微通道內(nèi)空氣-水、酒精兩相流的流型以及壓降進(jìn)行對比性觀察和計算。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)中，氣-液兩相流的動力設(shè)備采用型號為SDS-MP09醫(yī)用微量注射泵(單道)，輸出速率為0.1～1 200.0mL/h，注射速率精度為±2%(含機(jī)械精度±1%)。高速攝影儀采用瑞士Weinberger公司研發(fā)的Speed Cam Visario系統(tǒng)，高速攝影儀的最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻達(dá)到10 000 幀/s，可以十分清晰地拍攝兩相流的流型變化。光源采用6 400K色溫的三基色光管，光線亮度穩(wěn)定、無閃爍。設(shè)備之間采用直徑為2 mm的軟管連接，并用可凝固膠固定、密封。試驗(yàn)在室溫和常壓條件下進(jìn)行。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2微通道尺寸及形狀

文中微通道由浙江大學(xué)微分析實(shí)驗(yàn)室加工制作。微通道由上、下兩塊60mm×60 mm玻璃板鍵合而成，下層玻璃片采用光刻和刻蝕技術(shù)加工成不同尺寸和形狀的微通道，然后上層玻璃覆蓋到下層玻璃片上，通過鉆石打兩個直徑為2mm的孔作為微通道進(jìn)、出口。微通道的矩形截面尺寸為100μm×800μm(深×寬)。圖2中從左到右通道編號分別為微通道Ⅰ、微通道Ⅱ、微通道Ⅲ。

圖2 試驗(yàn)段示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1微通道內(nèi)兩相流流型

試驗(yàn)中，液相介質(zhì)分別為去離子水和酒精，氣相為空氣。筆者對液相不同時產(chǎn)生的流型進(jìn)行了對比。

圖3～5分別為微通道Ⅰ、微通道Ⅱ、微通道Ⅲ內(nèi)兩相流的流型。當(dāng)液相為去離子水時，并列微通道內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、波狀流和分層流；當(dāng)液相為酒精時，并列微通道內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、波狀流和分層流。

圖3 微通道Ⅰ內(nèi)兩相流型

圖4 微通道Ⅱ內(nèi)兩相流型

圖5 微通道Ⅲ內(nèi)兩相流型

當(dāng)液相不同時，微通道Ⅰ內(nèi)的流型變化不大，只是在空氣-酒精的兩相流動中彈狀流的長度不同，可能是由于液相粘度變大的緣故(圖3a)。圖4中，液相為酒精時微通道Ⅱ內(nèi)沒有出現(xiàn)波狀流。圖5中，微通道Ⅲ內(nèi)只出現(xiàn)了彈狀流?？傮w對比3個并列微通道可以看出，沿氣液進(jìn)口方向并列微通道內(nèi)的流型變化越來越單一，而且與液相介質(zhì)無關(guān)。流型的變化主要受到氣、液兩相的流量和流速的影響，而T型微通道(分支管)內(nèi)氣液兩相流相分離特性受到上游流型的影響[8]。本次試驗(yàn)中，水平母管出現(xiàn)的流型主要有分散泡狀流、泡狀流和分層流(圖6)。

圖6 水平母管內(nèi)流型

水平母管內(nèi)流型不同時，氣、液相在支管處產(chǎn)生的相采出分率不同，而且流型一定時，液相速率對于支管處產(chǎn)生的相采出率的影響較氣相速率大。氣、液相的采出率不同則直接影響了并列各支管內(nèi)的氣、液兩相流量和流速。并列微通道在試驗(yàn)時存在氣相停滯現(xiàn)象，當(dāng)水平母管中為泡狀流時，由于支管中流速和壓降的不同，在支管前段有氣泡的聚合現(xiàn)象出現(xiàn)，故導(dǎo)致各支管內(nèi)出現(xiàn)了不同的流型，如彈狀流、拉長的彈狀流等流型。由于支管前段有測點(diǎn)，因此這種聚合現(xiàn)象的出現(xiàn)需要進(jìn)一步的研究分析是否與測點(diǎn)的影響有關(guān)。

本次試驗(yàn)中觀察到了穩(wěn)定的分層流，但是由于通道結(jié)構(gòu)等因素的影響，只在微通道Ⅰ、微通道Ⅱ中觀察到了穩(wěn)定的分層流型，Cubaud T等在垂直放置的微通道中沒有觀察到氣液兩相流動的分層流型[9，10]。

馬友光和王東繼以空氣-乙醇為介質(zhì)在T型100μm×800μm豎直放置的微通道內(nèi)觀察到了彈狀流、液環(huán)-彈狀流、液環(huán)流、液環(huán)-分層流、分層流和波狀流[11]。馬友光和季喜燕在豎直放置的100μm×2000μm和100μm×200μm Y型微通道內(nèi)以空氣-乙醇為介質(zhì)的試驗(yàn)研究中，僅觀察到了彈狀流、液環(huán)流、分層流，并未觀察到泡狀流和波狀流[12]。

筆者在試驗(yàn)中觀察到了泡狀流和波狀流，但未觀察到液環(huán)-彈狀流和液環(huán)-分層流。其原因主要是單通道和并列通道的緣故。

2.2氣液兩相摩擦壓降

兩相流總壓力降Δp計算公式為：

Δp=Δpf+Δpc+Δpa+Δpg

式中 Δpa——沿程加速壓降；

Δpc——局部壓降；

Δpf——沿程摩擦壓降；

Δpg——重力壓降。

相對Δpf來說，Δpc、Δpa可以忽略，對于微尺度和水平微通道內(nèi)重力壓降Δpg可以忽略，所以摩擦壓降接近兩相總體壓降[13～16]。

圖7為此次試驗(yàn)的總體壓降隨氣液速率變化的關(guān)系圖。從圖7中可以看出，壓降隨著氣相速率的增加而逐漸增大，在氣相速率較高時，壓降的變化趨勢相對更加明顯。液相速率增大時，壓降逐漸增大，液相速率對于壓降的影響較氣相速率的影響較大。

圖7 氣相速率與壓降的關(guān)系

把氣、液兩相流體當(dāng)作一種特殊的單相流體，采用平均粘度法來計算兩相流體的等效摩阻系數(shù)。分別在液相速率JL為0.017、0.052、0.174、0.278m/s的工況下采用不同的粘度計算模型計算出的壓降與氣相速率之間的關(guān)系，如圖8所示。粘度公式如下[17～19]：

a.試驗(yàn)測得值；

b.μTP=μL；

c.μTP=xμG+(1-x)μL；

圖8 不同粘度公式計算壓降與氣相速率關(guān)系

從圖8中可以看出，隨著氣、液相速率的增加，壓降逐漸增加，但是公式b預(yù)測壓降隨著氣相速率的增加壓降增加的趨勢減弱。圖8中的不同粘度模型計算的壓降都呈現(xiàn)出逐漸遞增的趨勢，圖中用公式d、a計算的值較為接近，也就是Mecadam粘度計算式和此次試驗(yàn)的測得值整體上相對較為接近，但是在氣相速率較大時的預(yù)測值仍然偏高，氣相速率較低時的預(yù)測值效果較好，但是范圍較小。利用公式b預(yù)測的壓降值在低液相速率時和公式a測得值較吻合。

圖9為試驗(yàn)值與不同分相流預(yù)測模型預(yù)測值對比圖。從圖9中可以得到：Chishlom的對試驗(yàn)段的整體壓降預(yù)測效果相對較好，都在30%之內(nèi)。其他模型的預(yù)測值效果較差，只有在低氣、液流速的時候在30%之內(nèi)。

圖9 試驗(yàn)值與分相流模型預(yù)測值對比

雖然Chishlom能夠相對較好地預(yù)測整體壓降，但是對于并列微通道整體壓降的理論研究需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)進(jìn)行理論分析。

3 結(jié)論

3.1當(dāng)液相為去離子水時，并列微通道內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、波狀流和分層流；當(dāng)液相為酒精時，并列微通道內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、波狀流和分層流。

3.2與均相流模型預(yù)測值進(jìn)行分析對比發(fā)現(xiàn)，通過Mecadam粘度計算式預(yù)測的壓降值在低氣相速率時能較好地預(yù)測壓降，但是預(yù)測范圍非常小。用全液相粘度預(yù)測的壓降值在低液速時能夠較好地預(yù)測本試驗(yàn)中的整體壓降。

3.3分相流模型中Chishlom模型預(yù)測效果相對較好。其他所選模型中只有在低流速的時候其預(yù)測值在30%之內(nèi)。

[1] Jensen K F．Microreaction Engineering is Small Better[J].Chemical Engineering Science，2001，56(2)：293～303．

[2] Squires T M，Quake S R．Microfluidics：Fluid Physics at the Nanoliter Scale[J].Reviews of Modern Physics， 2005，77(3)：977～1026．

[3] Stone H A.Kim S Microfluieics：Basic Issues Applications and Challenges[J].AICHE Journal，2001，47(6)：1250～1254．

[4] 馬友光，劉瑋蒞.微通道內(nèi)兩相流流型及液滴生成研究[D].天津：天津大學(xué)，2010．

[5] 聶晶堯，宋宏宇，袁向前，等.微通道中兩相流壓降與傳質(zhì)的研究[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2007，23(4)：309～315．

[6] Li J，Peterson G P.Boiling Nucleation and Two-phase Flow Patterns an Forced Liquid Flow an Micro-channels[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48(23/24)：4797～4810．

[7] Singh S G，Kulkarni A，Duttagupta S P，et al.Impact of Aspect Ratio on Flow Boiling of Water in Rectangular Microchannels[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2008，33(1)：153～160．

[8] 周云龍，劉博，劉袖，等.T型微通道內(nèi)兩相流流型及相分離特性[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2012，28(4)：300～306．

[9] Cubaud T，Ho C M.Transport of Bubbles in Square Micro-channels[J].Physics of Fluids，2004，16(12)： 4575～4585．

[10] Zhao T S，Bi Q C.Co-current Air-water Two-phase Flow Patterns in Vertical Triangular Micro-channels[J].International Journal of Multiphase Flow，2001，27(5)：765～782.

[11] 馬友光，王東繼.微通道內(nèi)氣液兩相流及傳質(zhì)研究[D].天津：天津大學(xué)，2009．

[12] 馬友光，季喜燕.微通道內(nèi)氣液兩相流動及傳質(zhì)過程研究[D].天津：天津大學(xué)，2011．

[13] Wambsganss M W，Jendrzejczyk J A，F(xiàn)rance D M，et al.Frictional Pressure Gradients in Two-phase Flow in a Small Horizontal Rectangular Channel[J].Experimental Thermal and Fluid Science，1992，5(1)：40～56．

[14] Mishima K，Hibiki T，Nishihara H.Some Characteristics of Gas-liquid Flow in Narrow Rectangular Ducts[J].International Journal of Multiphase Flow，1993，19(1)：115～124．

[15] Lee H J，Lee S Y.Pressure Drop Correlations for Two-phase Flow within Horizontal Rectangular Channels with Small Heights[J].International Journal of Multiphase Flow，2001，27(5)：783～796．

[16] Ide H，Kariyasaki A，F(xiàn)ukano T.Fundamental Data on the Gas-liquid Two-phase Flow in Minichannels[J].International Journal of Thermal Sciences，2007，46(6)：519～530.

[17] Wallis G B.One Dimensional Two-phase Flow：Heat transmission[M].New York：McGraw-Hill，1969：225.

[18] Wong T N，Ooi K T.Refrigerant Flow in Capillary Tube：an Assessment of the Two-phase Viscosity Correlations on Model[J].Int Comm Heat Mass Transfer，1995，22(4)：595～604.

[19] Lin S.Local Frictional Pressure Drop During Vaporization for R-12 through Capillary Tubes[J].International Journal of Multiphase Flow，1991，17(1)：95～102.