王長(zhǎng)亮，田茂誠(chéng)

（山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061）

引 言

微流體裝置作為微化學(xué)工業(yè)的核心在過(guò)去幾十年中引起了廣泛的關(guān)注。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、比表面積大、內(nèi)部傳輸路徑短、擴(kuò)散率低而具有優(yōu)異的熱和質(zhì)轉(zhuǎn)移能力[1]。在化學(xué)傳質(zhì)[2-4]、熱交換器[5-6]、液滴生產(chǎn)和精細(xì)化學(xué)品/藥物合成[7]等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。其中微通道內(nèi)液-液兩相流動(dòng)在微化工系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位。實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相流流型、液滴長(zhǎng)度等流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的精確調(diào)控對(duì)微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，微換熱器換熱能力的提升具有重要意義。也正因?yàn)榇?，?duì)于微小通道內(nèi)液-液兩相流水動(dòng)力特性的研究開(kāi)展時(shí)間較早，目前已有較為廣泛的模擬和實(shí)驗(yàn)研究可以參考[8-13]。換熱方面，由于微小通道內(nèi)液-液兩相換熱系統(tǒng)有更小的體積、更高的傳熱速率和更穩(wěn)定的運(yùn)行條件，其在電子器件熱管理、微通道兩相熱交換器和反應(yīng)器等需要高熱量傳遞的領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[14]。同時(shí)也是解決傳統(tǒng)空氣冷卻和單相水冷卻不能滿足逐漸升高的熱流驅(qū)散密度的首選方案[15]。但由于該方向開(kāi)展時(shí)間較短，相關(guān)研究仍十分不足，理論體系更需完善。

彈狀流（Taylor 流）是微小通道內(nèi)液-液兩相流的典型流型，同時(shí)也是實(shí)際應(yīng)用中最常用的流型。連續(xù)相液體中氣泡/液滴的存在改變了內(nèi)部流場(chǎng)，形成內(nèi)循環(huán)流動(dòng)模式。這種流動(dòng)模式促進(jìn)了流體的徑向混合，為強(qiáng)化傳熱提供了一種新的機(jī)制。近些年國(guó)內(nèi)外有關(guān)氣-液Taylor 流強(qiáng)化換熱的研究逐漸增多，發(fā)現(xiàn)其傳熱系數(shù)相比單相水層流提高了約2～4 倍[16-17]。液-液彈狀流中分散相和連續(xù)相均為液體，有相同的熱容量階數(shù)。相比氣-液Taylor流中氣體幾乎不參與換熱，液-液彈狀流明顯有更好的熱驅(qū)散潛能。如果將其中一相更換為納米流體或具有超強(qiáng)導(dǎo)熱性的金屬流體，這一優(yōu)勢(shì)將變得更加顯著[18]。但截至目前有關(guān)液-液彈狀流換熱特性的研究卻十分有限。Egan等[19]采用高分辨率紅外熱像儀對(duì)恒熱流邊界條件下圓管內(nèi)液-液泰勒流的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，相比單相流動(dòng)換熱性能提高了近600%，段塞長(zhǎng)度和膜厚的變化對(duì)換熱率有顯著影響。Che 等[20]采用水平集方法對(duì)方形和矩形通道內(nèi)水-礦物油體系的換熱過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究表明通道的主相和次相內(nèi)的再循環(huán)流動(dòng)增加了傳熱速率，同時(shí)分析了液滴長(zhǎng)度、流道截面長(zhǎng)徑比對(duì)換熱的影響。李婷等[6]同樣也使用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)微通道內(nèi)液-液Taylor 流的傳熱特性進(jìn)行了研究，考察了壁面剪切力、界面渦度對(duì)傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)Taylor 流動(dòng)相較于單相流動(dòng)和平行流更能滿足高通量下的換熱要求。

截至目前，有關(guān)彈狀流（Taylor 流）對(duì)流換熱特性的研究大多集中在氣-液體系，液-液體系下的換熱研究仍十分有限，尤其是對(duì)于高黏度油相的情況。本文采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)微小管內(nèi)的液-液兩相流動(dòng)進(jìn)行了流型可視化和換熱研究?？偨Y(jié)了通道內(nèi)兩相流型、液滴長(zhǎng)度與形狀等動(dòng)力學(xué)特性。并在此基礎(chǔ)上研究了低Reynolds數(shù)下彈狀流與微小通道間的換熱特性，分別考察了混合速度、含水率和液滴長(zhǎng)度對(duì)傳熱系數(shù)的影響，可為微換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic of the experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，兩臺(tái)高精度微量注射泵（TS-1B/ W0190- 1B, Longer, China, ±0.5%）用于兩相供給并控制流速。使用了三個(gè)不同形式的接頭，以在相同混合速度和含水率的條件下生成不同長(zhǎng)度的液滴（droplet）和液彈（liquid slug）。加熱管段選用內(nèi)徑(2 ± 0.04) mm，長(zhǎng)400 mm 的銅管，其中加熱長(zhǎng)度為350 mm，外部包覆絕緣層。利用直流電源對(duì)銅管進(jìn)行焦耳加熱，以獲得壁面恒熱流邊界條件。選用T型熱電偶（0.2 mm頭部直徑）對(duì)管壁溫度和流體溫度進(jìn)行瞬時(shí)監(jiān)測(cè)。經(jīng)恒溫水浴校準(zhǔn)后，所有熱電偶的溫度測(cè)量精度均在±0.2℃之內(nèi)。熱電偶與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（安捷倫34970A）連接，對(duì)整個(gè)換熱過(guò)程的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了滿足在傳熱實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的同時(shí)也能進(jìn)行可視化觀察，確定流動(dòng)參數(shù)，在銅管前后分別設(shè)置了透明觀察段。三部分管段的內(nèi)徑必須相同，這樣可以保證流體經(jīng)過(guò)連接處時(shí)不會(huì)因?yàn)橹睆讲黄ヅ涠斐闪鲃?dòng)紊亂。流動(dòng)可視化通過(guò)HX-6 型高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)，拍攝速度設(shè)置為2000幀/秒。為了獲得更好的可視化效果，透明管段下方放置了LED冷光射燈。

兩相非混液體分別為去離子水和二甲基硅油，物性參數(shù)見(jiàn)表1（25℃，大氣壓）。

表1 工質(zhì)物性參數(shù)Table 1 Physical parameters

為了確保計(jì)算精度，直接測(cè)量了所有工作流體的物理性質(zhì)。密度通過(guò)測(cè)量已知體積液體質(zhì)量加權(quán)得到，相對(duì)測(cè)量誤差為± 2%。黏度測(cè)量采用Brookfield DV-II+Pro黏度計(jì)，相對(duì)測(cè)量誤差為±1.0%，重復(fù)性為±0.2%。由于油相黏度隨溫度變化較大，這里測(cè)量了溫度在20～60℃間油相所有黏度，在后面計(jì)算中根據(jù)測(cè)量的流體平均溫度選擇相應(yīng)的黏度值。比熱容通過(guò)差式掃描量熱儀DSC25（TA Instruments,USA）測(cè)量，溫度精確度± 0.01℃。每個(gè)液體取樣三次并測(cè)量，測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于8%。采用瑞典Hot Disk公司研發(fā)的TPS-2500s型熱常數(shù)分析儀測(cè)量液體熱導(dǎo)率。該儀器基于瞬變平面熱源技術(shù)（TPS），能在很短的時(shí)間內(nèi)完成熱參數(shù)測(cè)量，并保證測(cè)量精度在±2%范圍內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流型圖分布

液-液流動(dòng)的應(yīng)用背景與其流型特征密切相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，既可以根據(jù)不同需求選擇不同的流型，也可以在特定的流型內(nèi)根據(jù)需求來(lái)進(jìn)行速率調(diào)控，進(jìn)而增加操作彈性。例如滴狀流可以用于微粒子加工[21]，而化學(xué)反應(yīng)、萃取和混合等強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程一般發(fā)生在環(huán)狀流和彈狀流下[22-23]。因此流型分布的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在工程應(yīng)用中有著重要的意義。

2.1.1 液-液兩相流型 本實(shí)驗(yàn)中所使用的石英玻璃通道壁面疏水，當(dāng)兩相流體在通道中流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，水相始終作為分散相存在，而油相為連續(xù)相。為了盡可能減小初始狀態(tài)下壁面潤(rùn)濕狀態(tài)對(duì)液滴形成過(guò)程的影響，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前令通道內(nèi)充滿油，隨后引入水相。待兩相流動(dòng)穩(wěn)定后，再對(duì)特征流型進(jìn)行捕捉。通過(guò)改變兩相表觀流速觀察到以下五種特征流型：滴狀流、彈狀流、聯(lián)結(jié)彈狀流、環(huán)狀流和分層流，見(jiàn)圖2。

圖2 液-液兩相體系內(nèi)流型Fig.2 Liquid-liquid two-phase flow pattern

圖2(c)、(d)為兩相流中最典型的流型：彈狀流（slug/Taylor flow）。這種流型因其獨(dú)特的內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)而大大提高了流體徑向運(yùn)輸?shù)哪芰?，因此在化學(xué)分析和熱管理系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用。不同流量比下，彈狀流中液滴長(zhǎng)度會(huì)有所不同，但其基本流型特征并不會(huì)改變：分散相液滴幾乎充滿通道；液滴長(zhǎng)度通常大于通道直徑；分散相液滴（droplet）和連續(xù)相液彈（liquid slug）交替分布；液滴與壁面間會(huì)存在一層薄薄的液膜。如圖2(a)所示，滴狀流流型基本特征和彈狀流相似，但液滴尺寸小于通道直徑。由于連續(xù)相流速較大，液滴生成穩(wěn)定性也往往較差。隨著兩相流速的增加，流型的規(guī)律性大大降低，出現(xiàn)以下三種主要流型：聯(lián)結(jié)彈狀流、環(huán)狀流和層狀流。聯(lián)結(jié)彈狀流[圖2(b)]是彈狀流和環(huán)狀流之間的一種過(guò)渡流型，兩相界面呈周期性波紋狀，波紋大小隨混合速度變化而變化。當(dāng)流型為環(huán)狀流時(shí)[圖2(e)]，兩相界面逐漸趨于平緩，分散相和壁面之間存在一層均勻液膜。分層流發(fā)生在兩相流速都很大的情況，兩相界面也是波紋狀的，但并不規(guī)則。

2.1.2 流型轉(zhuǎn)換圖 不同流型的出現(xiàn)是由各種作用力相互競(jìng)爭(zhēng)作用所導(dǎo)致。由于通道尺寸大大減小，重力影響是可以忽略的（Bo ?1，Bo=gd2(ρl-ρg)/(4σ)）。而宏觀尺度下往往忽視的流體界面張力、黏性力等開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。在此過(guò)程中，界面張力通過(guò)減小兩相接觸面積來(lái)使界面能達(dá)到最?。粦T性力使得界面在流動(dòng)方向上延伸，流體保持連續(xù)；黏滯力則會(huì)耗散界面上的攝動(dòng)能量，使兩相界面趨于光滑。針對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的幾種特征流型，繪制了流型轉(zhuǎn)換圖（圖3）。選用表觀速度（j）和毛細(xì)管數(shù)（Ca）為變量，來(lái)反映液-液兩相體系中不同內(nèi)部作用力的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系對(duì)流型轉(zhuǎn)換的影響。

本實(shí)驗(yàn)中，分散相和連續(xù)相毛細(xì)管數(shù)范圍分別為3.98×10-5＜Cadp＜0.001275, 0.0046 ＜Cacp＜0.148。對(duì)于滴狀流和彈狀流等規(guī)律流型，界面張力相對(duì)于黏性力和慣性力始終占據(jù)主導(dǎo)地位以能夠維持特定的液滴形狀，因此它們的流型均分布在毛細(xì)管數(shù)相對(duì)較小的區(qū)域（Cadp＜0.001, Cacp＜0.12）。其中彈狀流所處范圍較廣，兩種液體表觀速度大小相當(dāng)。滴狀流則發(fā)生在高連續(xù)相速度和低分散相速度的情況下（大油水比下），由于連續(xù)相的高動(dòng)量，使得分散相很容易斷裂生成小液滴并向下游流去。隨連續(xù)相流速繼續(xù)增加，慣性力作用增強(qiáng)，流型會(huì)出現(xiàn)液滴大小間隔不均等不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)慣性力主導(dǎo)流動(dòng)時(shí)通道內(nèi)的主流部分是連續(xù)的，這與環(huán)狀流流型特征是吻合的（Cadp＞0.001,Cacp＜0.02)。這時(shí)jdp＞＞jcp,連續(xù)相黏滯作用基本可以忽略，水相幾乎充滿通道形成環(huán)形內(nèi)核，連續(xù)相包覆在分散相周圍形成液膜。隨著油水比增加，慣性力作用減小，界面張力開(kāi)始在一定程度上控制流型，內(nèi)核流動(dòng)雖還是連續(xù)的，但在油水界面出現(xiàn)了波紋形狀，此時(shí)流型為聯(lián)結(jié)彈狀流[圖2(b)]。如果界面張力作用繼續(xù)增加，這種波動(dòng)就會(huì)越來(lái)越明顯，甚至使內(nèi)核流動(dòng)發(fā)生斷裂，形成長(zhǎng)液滴。相反，如果慣性力繼續(xù)增加，則聯(lián)結(jié)彈狀流會(huì)向分層流過(guò)渡。所以聯(lián)結(jié)彈狀流是發(fā)生在彈狀流向環(huán)狀流或分層流過(guò)渡時(shí)的一種中間態(tài)流型，分散相液滴雖不是孤立的，但兩相界面仍會(huì)維持一定的周期形狀。分層流是發(fā)生在兩相流速都很大的情況（jdp＞0.035 m/s, jcp＞0.035 m/s），此時(shí)兩相慣性力作用都很大，各自分層流動(dòng)。但同時(shí)也能注意到，通道壁面上附著的油性黏膜一直限制著水的流動(dòng)，隨著流動(dòng)向下游進(jìn)行，慣性力逐漸耗散，界面張力作用凸顯，導(dǎo)致分層流的后半部分波紋更加明顯。

圖3 水-硅油體系內(nèi)兩相流型轉(zhuǎn)換圖Fig.3 Flow pattern transition map in water-silicone oil system

2.2 彈狀流特征長(zhǎng)度及形狀

很多因素都會(huì)在一定程度上影響液滴長(zhǎng)度，如通道壁面接觸角、兩相流量比和毛細(xì)管數(shù)等[24-25]。但通常來(lái)說(shuō)液滴長(zhǎng)度是由通道尺寸大小直接決定的。無(wú)論是對(duì)于氣-液兩相流還是液-液兩相流，單相流速改變對(duì)氣泡/液滴長(zhǎng)度的影響是一致的，均隨著同相速度的增加而增加，隨著另一相速度的減小而減小[26]，因此在這里不再做過(guò)多的討論。選取混合速度為變量，分別對(duì)五組油水流量比下的液滴長(zhǎng)度、液彈長(zhǎng)度和Taylor單元長(zhǎng)度進(jìn)行了考察，結(jié)果見(jiàn)圖4 和圖5。實(shí)驗(yàn)中所有特征長(zhǎng)度都是通過(guò)測(cè)量預(yù)設(shè)標(biāo)尺長(zhǎng)度的像素點(diǎn)數(shù)量，再測(cè)量液滴兩端像素點(diǎn)數(shù)量，對(duì)比計(jì)算得到的。相同工況下的特征長(zhǎng)度共取五組分別進(jìn)行測(cè)量，再取平均值作為計(jì)算用值。圖4(b)是基于圖4(a)中所圈選工況下的液滴形狀，為了更好地對(duì)液滴邊界進(jìn)行觀察，將其進(jìn)行了二值化處理。

圖4 混合速度及兩相流量比變化對(duì)液滴長(zhǎng)度和形狀的影響Fig.4 Effect of mixing velocity and flow rate ratio on the droplet length and shape

圖5 液彈和Taylor單元長(zhǎng)度隨混合速度變化趨勢(shì)Fig.5 Effect of mixing velocity on the length of liquid slug and Taylor unit

表2 液-液兩相體系中液滴長(zhǎng)度預(yù)測(cè)公式Table 2 Empirical correlation for droplet length in liquid-liquid two-phase systems

圖4(b)展示了高速攝像捕捉到的液滴原始圖像以及二值化處理后的液滴輪廓。液滴編號(hào)見(jiàn)圖4(a)，分別設(shè)置在特定油水比（jcp/ jdp= 3）和混和速度（jtp= 0.0382 m/s）下。和Taylor 氣泡相似，液滴也有著較尖的頭部和相對(duì)平直的尾部。隨著油水比減小，液滴逐漸變長(zhǎng)，但其頭部和尾部半月面形狀基本保持不變。而在固定的油水比下，隨著混合速度的增加，頭部半月面曲率逐漸變大，液滴尾部逐漸趨于平直。這一發(fā)現(xiàn)在他人研究中也得到驗(yàn)證。如Chen 等[31]報(bào)道了混合Reynolds 數(shù)對(duì)孤立Taylor 氣泡前后形狀的影響，認(rèn)為在低Re時(shí)，Taylor氣泡的前后兩側(cè)都呈現(xiàn)出半球形的帽狀，隨著Re 的增大，氣泡頭部曲率半徑變小，而尾部逐漸變平。Taha 等[32]發(fā)現(xiàn)在低Ca 時(shí)，氣泡兩端曲率幾乎相同，隨著Ca增加Taylor 氣泡頭部變尖，且氣泡周圍的液膜會(huì)增厚。Gupta 等[33]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)Taylor液滴進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)液滴前后半月面的形狀與液滴體積大小無(wú)關(guān)。隨著混合速度的增加，液滴頭部半月面曲率半徑減小，但液滴尾部的曲率卻始終不變。

2.3 彈狀流下?lián)Q熱

2.3.1 對(duì)流換熱驗(yàn)證與計(jì)算 整個(gè)換熱系統(tǒng)的熱平衡可以用式（1）表示：

式中，qv、ρ、cp、Tout和Tin分別為體積流量、流體密度、流體比熱容、出口流體溫度和入口流體溫度，Qeff為流體吸收有效熱量，Qele為電加熱總熱量，Qloss為系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的熱量損失。

能量損耗率η可以表示為：

考慮到加熱管道壁厚較薄，銅的熱阻較小。實(shí)驗(yàn)中只檢測(cè)了外壁溫度Tw,out，內(nèi)壁溫度Tw,in則通過(guò)一維導(dǎo)熱方程計(jì)算得到：

式中，Ri和Ro分別是內(nèi)、外管半徑；kw是銅管的熱導(dǎo)率，經(jīng)計(jì)算所有工況下的內(nèi)外壁溫差都很小，均小于0.1℃。

圖6 換熱裝置驗(yàn)證Fig.6 Verification of experimental heat device

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的正確性，在無(wú)流體流動(dòng)和單相水層流條件下對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行了換熱分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。其中壁面溫度為25～60℃，單相水層流流動(dòng)Re 為50～126.8。由圖6(a)可以看出在加熱空管時(shí)，外管壁六個(gè)測(cè)溫點(diǎn)均呈線性增加。起初溫度相差很小，隨著溫度升高，各測(cè)溫點(diǎn)溫度偏差稍有增大。但誤差都在4.6%之內(nèi)。基本可以認(rèn)為加熱區(qū)域通過(guò)管壁傳遞的熱量是均勻的。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)置了良好的絕熱層，熱耗散較小。從圖6(b)中可以看出熱耗散率η 基本維持在20%左右，表明電加熱的大部分能量是轉(zhuǎn)移到流體中的。綜上可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)換熱系統(tǒng)是合理的，監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)是可信的。

對(duì)于多組分液體流動(dòng)，流體的熱力學(xué)性質(zhì)是由各組分液體之間的熱平衡來(lái)定義的。液-液體系中，當(dāng)分散相液滴和連續(xù)相達(dá)到熱平衡時(shí)，可以采用均質(zhì)流模型來(lái)進(jìn)行流體物性的計(jì)算[34]。這也是在兩相流換熱實(shí)驗(yàn)研究中常用的物性計(jì)算方法[14,35]。將兩相流動(dòng)視為具有單一平均流體性質(zhì)的單相流體，平均流體性質(zhì)取決于混合物中各相質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這時(shí)，式（1）變?yōu)槭剑?）：

式中，ρtp為兩相混合密度，cp,tp為兩相混合比熱容，均通過(guò)兩相質(zhì)量加權(quán)平均計(jì)算得到。

式中,φ為分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.3.2 兩相混合速度和含水率對(duì)換熱影響 彈狀流下不同的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)會(huì)影響換熱能力，這些參數(shù)主要包括：含水率、液滴長(zhǎng)度、混合速度、液膜厚度、壁面接觸角大小等。充分理解這些參數(shù)對(duì)換熱的影響對(duì)于設(shè)計(jì)基于液-液兩相流的微換熱裝置有著重要的參考作用。

圖7(a)為固定兩相流量比下平均Nusselt 數(shù)（Nutp）隨混合Reynolds數(shù)Retp的變化曲線。

圖7 Retp和含水率對(duì)傳熱系數(shù)的影響Fig.7 Effect of Retp and water content on heat transfer coefficient

平均Nusselt數(shù)Nutp定義為

需要注意的是，由于計(jì)算采用均相流模型，在固定流量比下混合密度和混合黏度都是常數(shù)，因此Nu 隨Retp的變化趨勢(shì)也就是Nu 隨jtp的變化趨勢(shì)?？梢钥闯鲈谟退认嗤那闆r下，平均Nusselt 數(shù)隨著Reynolds 數(shù)的增加而增加，且油水比越大傳熱系數(shù)增加幅度越明顯。由圖4 可以看出，對(duì)于高黏度低Re 下的彈狀流，液滴/液彈長(zhǎng)度隨著混合速度的增加而變短。短的液滴/液彈縮短了其內(nèi)部循環(huán)所需時(shí)間，進(jìn)而強(qiáng)化了整體換熱。其次，混合速度的增加會(huì)使兩相冷流體運(yùn)動(dòng)加快，這就使壁面與冷流體間始終保持較大的溫差，也會(huì)在一定程度上增加傳熱系數(shù)。但這種效應(yīng)在低Re下似乎是不明顯的，如Dai 等[14]同樣在較低的Reynolds 數(shù)范圍（15 ＜Re ＜48）研究了液-液兩相流換熱特性，發(fā)現(xiàn)混合速度幾乎是不影響傳熱系數(shù)的。這主要是因?yàn)樗麄兯褂玫倪B續(xù)相黏度較?。–a ＜0.0043），液滴長(zhǎng)度與混合速度彼此獨(dú)立導(dǎo)致的。相對(duì)Nusselt 數(shù)Nu*（Nu*=Nutp/Nusp）隨含水率β的增加呈下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖7(b)。這是因?yàn)殡S著油水比增加，液滴長(zhǎng)度變短，液滴內(nèi)部?jī)?nèi)循環(huán)強(qiáng)度增加。在含水率變化范圍內(nèi)0.17 ＜β ＜0.83，Nu*幾乎均大于1，表示彈狀流下傳熱系數(shù)始終高于單相水層流流動(dòng)的情況，對(duì)換熱是起到強(qiáng)化作用的。雖然隨著系統(tǒng)內(nèi)含水量β增加會(huì)使兩相平均熱容量提高，但這種提高被其長(zhǎng)液滴內(nèi)較弱的循環(huán)強(qiáng)度所抵消，這種現(xiàn)象尤其在低Re 下更為明顯，液滴內(nèi)部流體需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能循環(huán)一個(gè)周期。可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)效應(yīng)是彈狀流中強(qiáng)化換熱的主要機(jī)制。

2.3.3 液滴長(zhǎng)度對(duì)換熱影響 由以上分析可以看出，許多流動(dòng)參數(shù)的改變都會(huì)影響液滴長(zhǎng)度，進(jìn)而影響換熱。為了將液滴長(zhǎng)度這一變量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，選用三種不同形式的接頭（T 型接頭、Y 型接頭和十字型接頭），在相同混合速度和油水比的情況下生成不同長(zhǎng)度的液滴/液彈。

圖8 液滴長(zhǎng)度對(duì)換熱的影響（jcp/jdp=1）Fig.8 The effect of droplet length on heat transfer coefficient

總地來(lái)看，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下液-液彈狀流較單相水層流換熱有所增強(qiáng)，最高為80%。但相比其他研究，強(qiáng)化換熱效果相差很多。如Abdollahi等[15]和Egan 等[19]在液-液Taylor 流下的傳熱研究，傳熱系數(shù)較單相分別提高了700%和600%。此外，該實(shí)驗(yàn)工況下無(wú)論是單相流還是彈狀流的Nu都在1～2 范圍內(nèi)，均低于恒熱流條件下管內(nèi)層流充分發(fā)展換熱的Nu 理論值4.36。這些現(xiàn)象的主要原因均是由當(dāng)前實(shí)驗(yàn)下連續(xù)相的高黏度（大毛細(xì)管數(shù)）所引起的。低Re 下流體內(nèi)部存在軸向熱傳導(dǎo)，Nu 較低，這在以往的研究中也有發(fā)現(xiàn)[37]，說(shuō)明尺度效應(yīng)在低流量流動(dòng)中起關(guān)鍵作用。同時(shí)，由于連續(xù)相流體黏度高，流動(dòng)Re 低，貼近壁面處的層流底層（油相液膜）熱導(dǎo)阻力與對(duì)流阻力也是不能忽視的。所以在考慮兩相換熱時(shí)應(yīng)該盡可能讓高熱導(dǎo)率流體作為連續(xù)相，可以通過(guò)壁面設(shè)置親水來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

基于實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)微小圓管內(nèi)的液-液兩相流開(kāi)展了流體動(dòng)力學(xué)和換熱特性研究，主要結(jié)論如下。

（1）流速供給范圍內(nèi)觀察到五種特征流型：滴狀流、彈狀流、聯(lián)結(jié)彈狀流、環(huán)狀流和分層流。其中滴狀流和彈狀流發(fā)生在界面張力主導(dǎo)區(qū)域。當(dāng)慣性力主導(dǎo)流動(dòng)時(shí)通道內(nèi)的主流部分是連續(xù)的，環(huán)狀流發(fā)生。分層流發(fā)生在兩相流速都很大的情況（jdp＞0.035 m/s, jcp＞0.035 m/s），兩相慣性力作用都很大，各自分層流動(dòng)。

（2）與氣-液Taylor 流和低黏度液-液彈狀流不同，高黏度連續(xù)相下，隨著兩相混合速度增加，液滴長(zhǎng)度和Taylor 單元長(zhǎng)度均會(huì)減小。隨著油水比減小，液滴逐漸變長(zhǎng)，但其頭部和尾部半月面形狀基本保持不變。而在固定的油水比下，隨著混合速度的增加，頭部半月面曲率逐漸變大，液滴尾部逐漸趨于平直。

（3）平均Nusselt 數(shù)隨著Reynolds 數(shù)的增加而增加，且油水比越大傳熱系數(shù)增加幅度越明顯。Nu隨含水率的增加而降低。在含水率變化范圍內(nèi)0.17 ＜β ＜0.83，隨著含水率增加，雖然兩相平均熱容量提高，但在低Re 下，這種提高被其長(zhǎng)液滴內(nèi)較弱的循環(huán)強(qiáng)度所抵消。

（4）短的液滴/液彈縮短了其內(nèi)部流體循環(huán)所需時(shí)間，進(jìn)而強(qiáng)化了換熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同條件下，液滴長(zhǎng)度的優(yōu)化使整體傳熱系數(shù)提高了近26%。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Bo——Bond數(shù)

Ca——毛細(xì)管數(shù)

d——直徑，m

j——表觀速度，m/s

kw——加熱管壁熱導(dǎo)率，W/(m·K)

L——長(zhǎng)度，m

Nu——Nusselt數(shù)

Nu*——兩相流相對(duì)于單相水層流下的Nusselt數(shù)

Qcp,Qdp——分別為連續(xù)相和分散相的體積流量，m3/s

Qeff,Qele,Qloss——分別為流體吸收的有效熱量、電加熱總熱量和系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的熱量損失，J

Re——Reynolds數(shù)

Tw,in,Tw,out——分別為管內(nèi)壁和外壁溫度，℃

w——微通道寬度，m

β——含水率

η——能量損耗率

ρl,ρg——分別為液相和氣相的密度，kg/m3

σ——表面張力

下角標(biāo)

cp——連續(xù)相

dp——分散相

sp——單相

tp——兩相