周密　汪雙鳳

摘 要：微通道的集成和放大對(duì)于微型反應(yīng)器及散熱器的開(kāi)發(fā)具有重要意義。文章以高純度氮?dú)夂唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的SDS水溶液分別作為氣相和液相工質(zhì)，通過(guò)一系列可視化實(shí)驗(yàn)，研究了入口流型為彈狀流和環(huán)狀流時(shí)，在擁有一個(gè)主管（水力直徑為0.6mm）與3個(gè)平行側(cè)支管（水力直徑為0.4mm）的平行微通道內(nèi)氣液兩相流的相分配特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，側(cè)支管的相分配特性與入口流型密切相關(guān)。當(dāng)入口流型為彈狀流時(shí)，氣相富集于中間的側(cè)支管。當(dāng)入口流型為環(huán)狀流時(shí)，第一個(gè)支管中始終走液相，氣液兩相在后面兩個(gè)支管中的分配則相對(duì)均勻。

關(guān)鍵詞：相分配；氣液兩相流；平行微通道

引言

近年來(lái)，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，在直徑為微米級(jí)的槽道上開(kāi)展流體實(shí)驗(yàn)的研究層見(jiàn)疊出。與常規(guī)尺度的流體流動(dòng)相比，微流體技術(shù)具有它獨(dú)特的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景。比如，微通道一般具有比常規(guī)尺度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的比表面積，因此使得流體的傳熱、傳質(zhì)能力大大增強(qiáng)[1]。作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工的微通道結(jié)構(gòu)，封頭-平行流支管被廣泛應(yīng)用于各種微型換熱器及反應(yīng)器中。然而，當(dāng)氣液兩相流體從入口封頭流經(jīng)各個(gè)平行支通道時(shí)，各支通道中氣液兩相的不均勻分配會(huì)嚴(yán)重影響裝置的性能。比如，對(duì)于換熱器，流量分配不均將給蒸發(fā)器和冷凝器帶來(lái)局部過(guò)熱或過(guò)冷的問(wèn)題[2]，對(duì)于反應(yīng)器，反應(yīng)物的不均勻分配將會(huì)影響出口的反應(yīng)產(chǎn)物[3]。因此，研究氣液兩相流在平行微通道內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象具有重要意義。

迄今為止，有關(guān)單個(gè)T型微通道內(nèi)氣液兩相流相分配的實(shí)驗(yàn)及理論研究，中外學(xué)者已發(fā)表了不少論文[4-7]。Wang等[4]在水力直徑為0.5mm的水平T型三通內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了氮?dú)?水兩相體系的彈狀流相分配特性。He等[5]在水力直徑為0.5mm的水平T型微通道內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了入口流型對(duì)氮?dú)?水兩相相分配的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入口流型對(duì)側(cè)支管的相分配現(xiàn)象有著顯著影響。Azzi等[6]實(shí)驗(yàn)研究了水力直徑為1mm的T型三通內(nèi)空氣-水兩相流的相分配特性。研究表明，側(cè)支管液相采出分率受氣液兩相入口表觀速率的影響，隨著進(jìn)口液相速率的增加，側(cè)支管液相采出分率降低。然而，有關(guān)平行微通道內(nèi)氣液兩相流相分配的實(shí)驗(yàn)研究則還未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，因此，文章對(duì)彈狀流和環(huán)狀流在擁有一個(gè)主管（水力直徑為0.6mm）和三個(gè)側(cè)支管（水力直徑為0.4mm）的平行微通道內(nèi)的相分配特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由氣液混合區(qū)、壓力測(cè)試區(qū)、兩相流可視化區(qū)、氣液分離測(cè)量區(qū)四部分組成，如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在大氣壓及常溫（26℃）下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，微通道水平置于顯微鏡載物臺(tái)上，氣相由高壓氮?dú)馄刻峁?，?jīng)質(zhì)量流量計(jì)控制輸出后進(jìn)入雙T型混合器，液相由微型注射泵A、B控制輸出后與高純度氮?dú)饣旌线M(jìn)入試驗(yàn)段。氣液兩相混合后在主管進(jìn)口處重新分配進(jìn)入下游支管，氣液分離器出口的液體用電子天平實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果取小數(shù)點(diǎn)后四位，通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)液體的增量來(lái)計(jì)算液相流率。實(shí)驗(yàn)用秒表計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為一段時(shí)間內(nèi)的平均值。實(shí)驗(yàn)分離后的三個(gè)支管出口的氣體分別進(jìn)入三個(gè)皂膜流量計(jì)，推動(dòng)氣泡垂直上升，通過(guò)測(cè)定一段時(shí)間內(nèi)氣泡上升的高度（體積），得出各支管出口的氣相體積流率。

1.3 實(shí)驗(yàn)流體

實(shí)驗(yàn)以高純度氮?dú)饧百|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的SDS（十二烷基硫酸鈉）水溶液作為氣相和液相工質(zhì)。SDS水溶液在實(shí)驗(yàn)條件下的物性參數(shù)如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 入口流型觀察

實(shí)驗(yàn)利用高速攝影儀拍攝到了彈狀流和環(huán)狀流兩種穩(wěn)定流型，如圖2所示。每種流型分別選取5個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，為確定不同兩相進(jìn)口速率下的流型，所選實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分別被標(biāo)注到Chung P M和Kawaji M繪制的流型圖3上。圖中的圓形標(biāo)出了本實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

2.2 氣液兩相進(jìn)口速率對(duì)相分配的影響

2.2.1彈狀流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選取5組數(shù)據(jù)點(diǎn)（0.723，0.134）、（0.723，0.268）、（0.723，0.40

2）、（1.526，0.268）、（2.249，0.268）單位：m/s，其中橫縱坐標(biāo)分別代表進(jìn)口氣、液相表觀流率。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別固定進(jìn)口氣（液）相表觀速率，通過(guò)改變進(jìn)口液（氣）相速率，考察不同進(jìn)口兩相流率下的相分配狀況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制得到的相分配曲線如圖4、5所示。圖中的橫坐標(biāo)表示支管序數(shù)，縱坐標(biāo)分別表示從該支管抽出的氣（液）相質(zhì)量流量占入口氣（液）相質(zhì)量流量之比。

圖4顯示的是氣相進(jìn)口速率對(duì)各側(cè)支管相分配的影響。由圖可知，當(dāng)入口流型為彈狀流時(shí)，第一個(gè)側(cè)支管只走液體，并且80%以上的液體始終富集于兩側(cè)的支管，隨著氣相進(jìn)口速率的增加，更多液相進(jìn)入第一個(gè)支管。對(duì)于氣相而言，則始終是第二個(gè)支管富集，隨著進(jìn)口氣相表觀速率的增加，第二個(gè)支管中的氣相富集程度明顯降低。

液相進(jìn)口速率對(duì)相分配的影響效果如圖5所示。由圖可知，氣相進(jìn)口速率一定，隨著液相速率的增加，更多氣相進(jìn)入第二個(gè)支管，而更多液相走最后一個(gè)支管，這與固定進(jìn)口液相表觀速率得到的結(jié)論剛好相反。以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可解釋如下：一方面，由于彈狀流的氣液兩相是以氣彈和液彈的形式交替出現(xiàn)的，液相動(dòng)量相對(duì)較小，更容易拐彎進(jìn)入第一個(gè)側(cè)支管；另一方面，各支管中的流動(dòng)阻力存在明顯差異，氣液兩相都傾向于進(jìn)入流動(dòng)阻力較小的支管，使得各支管中的氣液兩相分配嚴(yán)重不一致。

2.2.2 環(huán)狀流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選取5組數(shù)據(jù)點(diǎn)（16.064，0.016）、（16.064，0.027）、（16.064，

0.054）、（11.245，0.027）、（20.08，0.027）單位：m/s，分別固定入口氣（液）相流率，改變?nèi)肟谝海猓┫嗔髀?，得到的相分配曲線分別如圖6、7所示。

由圖6可知，在進(jìn)口流型為環(huán)狀流的條件下，最后兩個(gè)支管中相分配程度相對(duì)均勻。對(duì)于液相而言，大部分液相富集于后面兩個(gè)支管，隨著進(jìn)口氣相表觀速率增加，更多液相進(jìn)入第一個(gè)側(cè)支管。對(duì)于氣相而言，所有的氣相均進(jìn)入第二個(gè)和第三個(gè)側(cè)支管，并且隨著進(jìn)口氣相表觀速率的增加，更多氣相進(jìn)入最后一個(gè)側(cè)支管。

圖7顯示的是入口流型為環(huán)狀流時(shí)，液相進(jìn)口速率對(duì)兩相分配的影響。由圖可知，隨著液相進(jìn)口流率的增加，更多液相進(jìn)入第三個(gè)側(cè)支管，對(duì)于氣相而言，則影響不太顯著，這與固定液相表觀速率時(shí)得到的結(jié)論也是剛好相反。以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可解釋如下：一方面，不同于彈狀流，環(huán)狀流中的氣體是在管道中間高速運(yùn)動(dòng)的，液體被排擠到通道兩側(cè)，由于受到管壁摩擦減速作用影響較大，液體動(dòng)量急速降低，因此相對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的氣體，具有較小動(dòng)量的液體優(yōu)先從側(cè)支管采出，第一個(gè)側(cè)支管始終富集液體。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)彈狀流和環(huán)狀流在平行微通道內(nèi)的相分配行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，可以得到如下結(jié)論： （1）當(dāng)入口流型為彈狀流時(shí)，氣相富集于中間的支管，與此同時(shí)，兩側(cè)支管中則是更多液相富集。另一方面，固定進(jìn)口液（氣）相速率，隨著氣（液）相速率的增加（降低），更多的氣相和液相分別進(jìn)入第一個(gè)和第三個(gè)側(cè)支管； （2）當(dāng)入口流型為環(huán)狀流時(shí)，氣液兩相始終相對(duì)均勻地富集于后面兩個(gè)支管，第一個(gè)支管則始終走液相。此外，固定入口液（氣）相表觀速率，隨著入口氣（液）相速率的增加（降低），第二個(gè)側(cè)支管中的氣液兩相采出分率均有降低。

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