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，吉林132012；2.中國石油集團(tuán) 東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院，吉林132012）

目前，工業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域中廣泛涉及到氣液兩相流的應(yīng)用，理論研究方面也取得了很大進(jìn)展.在化學(xué)工程領(lǐng)域，對于兩相流動的研究主要針對流型、壓降、傳熱和傳質(zhì)等方面.特別是在微化工技術(shù)中，流型直接影響生產(chǎn)設(shè)備的安全和效率，不同的流型會有不同的流動、傳熱機(jī)理和傳質(zhì)效果等.氣液兩相流的壓降參數(shù)也是重要參數(shù)之一，一些學(xué)者對其進(jìn)行了較廣泛的研究［1-4］.韋曉麗等［5］針對并列管組提出了新的流體流動特性分布理論解和并聯(lián)支管的流速分布.近年來，并列微通道在燃料電池中的應(yīng)用較多，特別是在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，由于陰極的反應(yīng)氣體總是飽和的，導(dǎo)致在通道內(nèi)有液體存在［6］.并列微通道還廣泛應(yīng)用于緊湊型機(jī)械設(shè)備中，如微冷凝器、微換熱器、汽車空調(diào)扁管和微反應(yīng)器等.雖然從試驗(yàn)和理論方面得到了很多氣液兩相流動的壓降經(jīng)驗(yàn)公式，但是仍然沒有統(tǒng)一的方法很好地描述一些重要因素對壓降等參數(shù)的影響，相關(guān)的理論知識也很有限.

如今，國內(nèi)外學(xué)者通過對微通道進(jìn)行可視化研究，主要觀察到如下流型：分散泡狀流、泡狀流、彈狀流、擾動流、環(huán)狀流及分層流.還有一些不常見的流型和過渡流型，如溪狀流、液團(tuán)流、活塞流、歪斜肉串流、彈狀-環(huán)狀流和環(huán)狀-彈狀流等.不同學(xué)者對流型的稱呼略有不同.

一些學(xué)者對小尺寸的并列微通道進(jìn)行了試驗(yàn)研究.Park等［7］對0.89 mm 的 圓 形 截 面 并 列 微 通 道（10根）內(nèi)壓縮的CO2進(jìn)行了換熱研究；Zhang等［8］對Y 型進(jìn)口方式的截面為1.59mm×1.59mm 的正方形并列通道（2根）進(jìn)行了流型和壓降的可視化研究和計(jì)算；聶晶堯等［9］對當(dāng)量直徑為95.2μm 的并列微通道（13根）內(nèi)的氮?dú)夂退M(jìn)行了壓降和傳質(zhì)的研究.Tshuva等［10］研究了2 根并列通道內(nèi)的兩相流動，發(fā)現(xiàn)2 根并列通道內(nèi)為非對稱流動；Hetsroni等［11］研究了當(dāng)量直徑分別為129μm、103 μm 和161μm，通道分別為21 根、26 根和17根的并列微通道內(nèi)空氣-水的兩相流動，發(fā)現(xiàn)在氣、液速率固定時(shí)，在不同的微通道內(nèi)可同時(shí)觀察到不同流型，這主要是由流量分配不均造成的；Dario等［12］對并列通道支管內(nèi)流型不一致的影響因素進(jìn)行了研究，認(rèn)為主要是由支管流量分配不均引起的.

筆者以空氣-水為工質(zhì)，利用高速攝影儀對豎直I型微通道內(nèi)的流型進(jìn)行了可視化研究，并對微通道整體壓降試驗(yàn)測得值與分相流模型和均相流模型的預(yù)測值進(jìn)行了比較分析.

1 微通道的定義

Mehendale等［13］以當(dāng)量直徑Dh為劃分原則，將換熱器劃分為：常規(guī)通道（Dh＞6mm）；緊湊型通道（1 mm＜Dh≤6 mm）；過渡型通道（100μm＜Dh≤1mm）；微通道（1μm＜Dh≤100μm）.

Kandlikar［14］則依據(jù)工程中小尺寸通道的應(yīng)用并進(jìn)行演化提出通道的劃分準(zhǔn)則：常規(guī)通道（Dh＞3 mm）；細(xì)小通道（200μm＜Dh≤3 mm）；微通道（10 μm＜Dh≤200μm）；過渡型通道（1μm＜Dh≤10 μm）；過渡型納米通道（0.1μm＜Dh≤1μm）；分子納米通道（Dh≤0.1μm）.

Serizawa等［15］將微通道界限劃分為

式中：σ為表面張力；g為重力加速度；D為通道的尺寸；ρL為液相密度；ρG為氣相密度.

目前，對于通道尺度的劃分沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).筆者對微通道的定義以Kandlikar 的定義為劃分標(biāo)準(zhǔn).

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用微通道結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗(yàn)中的玻璃微通道是由浙江大學(xué)微分析實(shí)驗(yàn)室制作的.微通道截面為矩形，截面尺寸為100μm×800μm.氣相和液相進(jìn)口段長度為10 mm，混合段長度為10 mm，當(dāng)量直徑為177.8μm.圖1中從下到上通道編號分別為微通道Ⅰ、微通道Ⅱ和微通道Ⅲ.

圖1 微通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the micro-channels

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)圖.試驗(yàn)中氣、液兩相動力設(shè)備是由北京善德仕醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)的SDSMP09（注射速率精度±2%）單道醫(yī)用注射泵.高速攝影儀的最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻可達(dá)10 000幀／s，可以清晰地拍攝到微通道內(nèi)氣液兩相流流型的變化.光源采用6 400K 色溫的三基色照明，亮度穩(wěn)定均勻，無閃爍.采用精度等級為0.25的微型壓力變送器.試驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行.

3 結(jié)果與討論

3.1 微通道內(nèi)兩相流流型

通過高速攝影儀觀察3 根并列微通道內(nèi)的流型.微通道Ⅰ內(nèi)的主要流型有：彈狀流、拉長的彈狀流、彈狀-環(huán)狀流和環(huán)狀流（見圖3）；微通道Ⅱ內(nèi)的主要流型有：彈狀流、拉長的彈狀流、環(huán)狀流和分層流（見圖4）；微通道Ⅲ內(nèi)的主要流型有：泡狀流、彈狀流、拉長的彈狀流和環(huán)狀流（見圖5）.

圖3 微通道Ⅰ內(nèi)流型Fig.3 Flow pattern in micro-channel I

圖4 微通道Ⅱ內(nèi)流型Fig.4 Flow pattern in micro-channel II

圖5 微通道Ⅲ內(nèi)流型Fig.5 Flow pattern in micro-channel III

由圖3可知，氣相速率的增大加強(qiáng)了氣泡的相互作用，產(chǎn)生一定程度的聚合，導(dǎo)致彈狀流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變.進(jìn)口氣、液兩相速率分別為JG＝0.694 5m／s（Re＝196.54）和JL＝0.277 8m／s（Re＝49.157）時(shí)，觀察到了彈狀流（圖3（a））；隨著進(jìn)口氣相速率的增大，氣泡的長度增加，形成拉長的彈狀流（圖3（b））；進(jìn) 口 氣 相 速 率JG＝1.388 9 m／s（Re＝393.05）時(shí)，出現(xiàn)彈狀-環(huán)狀流（圖3（c）），這種流型是一種較為典型的過渡流型；當(dāng)進(jìn)口氣相速率增大到JG＝1.736 1m／s（Re＝491.31）時(shí)，微通道Ⅰ內(nèi)形成了非常穩(wěn)定的環(huán)狀流（圖3（d））.

由圖4可知，相對微通道Ⅰ而言，微通道Ⅱ內(nèi)彈狀流出現(xiàn)時(shí)的氣、液兩相速率都較低.當(dāng)進(jìn)口氣、液兩相速率分別為JG＝0.347 4m／s（Re＝98.313）和JL＝0.173 6 m／s（Re＝30.713）時(shí)，出現(xiàn)了彈狀流（圖4（a））.在進(jìn)口氣、液兩相速率都增大時(shí)，氣彈的長度被拉長（見圖4（b））.但是不同于微通道Ⅰ，微通道Ⅱ內(nèi)的環(huán)狀流出現(xiàn)在進(jìn)口氣、液兩相速率較低的工況下.這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樵谶M(jìn)口氣、液兩相速率較低時(shí)，兩相主要在微通道Ⅱ內(nèi)流動所致.隨著進(jìn)口氣相速率的增大，流型過渡為較穩(wěn)定的分層流.

由圖5可知，JL＝0.277 8m／s（Re＝49.157）、JG＝0.347 4m／s（Re＝98.313）時(shí)，出現(xiàn)泡狀流，隨著進(jìn)口氣相速率的增大，氣泡長度增加，逐漸變?yōu)閺棤盍鳌⒗L的彈狀流和環(huán)狀流.

試驗(yàn)中觀察到的流型主要存在2種彈狀流，即彈狀流和拉長的彈狀流.這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是表面張力和剪切力作用的結(jié)果.在微通道內(nèi)，表面張力的作用更加明顯，隨著進(jìn)口氣相速率的增大，剪切力的作用開始增大，將彈狀流拉長，直到剪切力的作用大于表面張力的作用后，微通道中出現(xiàn)穩(wěn)定的分層流.只有微通道Ⅲ內(nèi)觀察到氣泡直徑與管徑相當(dāng)?shù)呐轄盍?，在微通道Ⅰ和微通道Ⅲ?nèi)沒有觀察到分層流，這可能是因?yàn)槲⑼ǖ愧窈臀⑼ǖ愧筇幱诓⒘型ǖ滥┒?，在進(jìn)入微通道時(shí)氣、液兩相速率有明顯的損失，導(dǎo)致速率減小，剪切力的作用相對表面張力較小，于是出現(xiàn)了泡狀流，隨著進(jìn)口氣相速率的增大，剪切力開始增大，但是其增大的程度并沒有達(dá)到使分層流出現(xiàn)的程度.

在試驗(yàn)中進(jìn)口氣相速率較小時(shí)，微通道Ⅰ和微通道Ⅲ內(nèi)氣、液兩相基本很少通過，而且非常不穩(wěn)定，出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，氣、液兩相主要集中在微通道Ⅱ中.隨著進(jìn)口氣相速率的增大，微通道Ⅰ和微通道Ⅲ內(nèi)的氣、液兩相流量開始增大，流量變得相對較穩(wěn)定，但是微通道Ⅱ內(nèi)的氣、液兩相流量仍然相對較大.這種分配的差異可能主要是由微通道結(jié)構(gòu)引起的.在進(jìn)口氣相速率較大時(shí)，此種并列微通道內(nèi)的分配會相對更均勻.對于進(jìn)口氣相速率較低時(shí)并列微通道內(nèi)氣相和液相主要在1根通道內(nèi)流動和停滯的現(xiàn)象，Zhang等［8］在試驗(yàn)研究中也進(jìn)行了報(bào)道.

這種進(jìn)口氣、液兩相速率較低時(shí)出現(xiàn)的停滯現(xiàn)象對于此種結(jié)構(gòu)微通道的傳熱非常不利，很容易使管道產(chǎn)生過熱而危害設(shè)備安全，所以在傳熱過程中應(yīng)避免.

通過對并列微通道內(nèi)流型的整體比較可知，微通道Ⅱ內(nèi)的流型變化較大，而且出現(xiàn)了分層流，在微通道Ⅰ和微通道Ⅲ內(nèi)并沒有觀察到分層流對于這種流量分配不均勻現(xiàn)象，需要更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究.

3.2 壓降計(jì)算

筆者參照4種分相流壓降預(yù)測公式和3種黏度公式進(jìn)行壓降計(jì)算和對比，公式介紹如下.

Lockhart等提出的關(guān)系式

Chisholm 提出的關(guān)系式

Lee等提出的關(guān)系式［16］

Mudawar等提出的關(guān)系式［17］

Yu 等 提 出 的 關(guān) 系 式［18］

Dukler計(jì)算式

Cicchitti計(jì)算式

Mecadams計(jì)算式

式中：φ2為分液相折算系數(shù)；X為馬蒂內(nèi)里參數(shù)；C為無量綱參數(shù)；B為與流體物性和質(zhì)量有關(guān)的參數(shù)；Re為雷諾數(shù)；λ為無量綱參數(shù)；Ψ為無量綱參數(shù)；σ為表面張力；G為質(zhì)量流量；v為比熱容；j為折算速度；x為質(zhì)量含氣率；μ為動力黏度.

下角標(biāo)含義：v為層流；t為紊流；f為液相；g為氣相；fo為全液相；go為全氣相；tp為兩相混合.

平均絕對誤差的計(jì)算公式為

式中：Δppred為模型預(yù)測壓降；Δpexp為試驗(yàn)測得壓降；M為試驗(yàn)次數(shù).

圖6給出了試驗(yàn)測得的總體壓降與不同分相流模型預(yù)測值的對比.Yu、Mudawar、Lee、Chisholm和Lockhart提出的預(yù)測模型的平均絕對誤差分別為218.98%、95.45%、175.47%、176.03% 和141.26%.對于分相流模型的預(yù)測誤差來說，相對預(yù)測效果較好的是Chisholm 提出的預(yù)測模型，但是其整體預(yù)測值仍然偏低.

圖6 試驗(yàn)值與分相流模型預(yù)測值的對比Fig.6 Comparison of pressure drop between predicted data by separated flow model and actual measurements

圖7給出了試驗(yàn)測得的總體壓降與均相流模型預(yù)測值的對比.其中，均相流模型采用不同的黏度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算.Mecadam 計(jì)算式和Dukler計(jì)算式的預(yù)測值基本都在＋30%的偏差范圍內(nèi).均相流預(yù)測模型以單相水黏度計(jì)算得到的壓降平均絕對誤差為85.68%，以Mecadam 計(jì)算式、Cicchitti計(jì)算式和Dukler計(jì)算式得到的壓降平均絕對誤差分別為55.3%、64.86%和51.11%，其中Dukler計(jì)算式在均相流模型中能更好地預(yù)測本試驗(yàn)微通道的整體壓降.

圖7 試驗(yàn)值與均相流模型預(yù)測值的對比Fig.7 Comparison of pressure drop between predicted data by homogenous flow model and actual measurements

從圖6和圖7可以看出，對于并列微通道的總壓降，相比分相流模型的預(yù)測值，均相流模型的預(yù)測效果更好，這與Kim 等［19］對并列微通道得出的結(jié)論一致.而且均相流模型的平均絕對誤差比分相流模型中最小的平均絕對誤差還要小.

4 結(jié) 論

（1）在本試驗(yàn)的并列微通道內(nèi)觀察到了幾種典型的流型，且3根微通道內(nèi)觀察到的流型不同.

（2）在進(jìn)口氣、液兩相速率較低時(shí)，微通道Ⅰ和微通道Ⅲ內(nèi)基本沒有液相通過，出現(xiàn)了停滯現(xiàn)象，在傳熱過程中應(yīng)避免.

（3）在分相流的5個(gè)預(yù)測模型中，Chisholm 預(yù)測模型相對較好，但是整體預(yù)測值偏低；均相流的4種不同黏度計(jì)算式中，Dukler計(jì)算式的預(yù)測值相對較好；均相流模型對本試驗(yàn)的預(yù)測效果更好.

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