微通道氣液柱塞流頭部流場三維實驗研究

摘要： 為研究微通道氣液柱塞流三維流場特性，采用三維Micro PIV技術對微通道氣液柱塞流進行實驗研究，通過處理分析柱塞流圖像，獲得氣泡前部區域的示蹤顆粒分布圖和三維速度分布圖.研究結果表明：在氣泡前部區域存在兩個對稱的方向相反的漩渦；在氣柱頭部附近區域，流體以較大速度沿著氣柱表面流動；在遠離氣柱頭部的區域，與單相流有類似的拋物線速度分布；在氣液界面和壁面之間的流體運動復雜，有可能流向氣液界面，也有可能流向壁面，氣液界面近似為剛性.

關鍵詞： 微通道；柱塞流；三維流場；MicroPIV

中圖分類號： O358文獻標志碼： AExperimental Investigations of ThreeDimensional Flow

微通道是微流控芯片的最基本組成單元之一.微細通道內氣液兩相流型、壓降和流動穩定性等特性與宏觀尺度常規通道有顯著差異[1].文獻[2]對直徑為1 mm和1.4 mm的水平圓形毛細管進行了兩相流實驗研究，發現主要流型為柱塞流和環狀流.文獻[34]中，實驗觀察到泡狀流、柱塞流、攪拌流、柱塞環狀流和環狀流.文獻[56]的實驗發現有泡狀流、柱塞流、攪拌流和環狀流.文獻[78] 研究發現有泡狀流、柱塞流、柱塞環狀流、攪拌流和環形流等流型.上述文獻對不同材質、不同微細流道截面形狀和不同工質進行實驗研究，表明柱塞流是微通道主要且重要的流型.

文獻[910]中證實了泰勒氣泡在液體中運動時，微流道截面的中部區域、氣泡頭部的氣液界面推動液體向前流動，并在靠近壁面的區域形成兩個沿流道中心線對稱的漩渦.文獻[1112]對垂直管和水平矩形管柱塞流進行數值模擬，發現液膜隨毛細數增大而變厚，導致膠囊狀的氣泡尾部變得扁平并進一步變成凹面，采用VOF方法對柱塞流速度場進行計算，獲得了液柱的流場細節.文獻[13]對矩形微通道柱塞流進行研究，發現壓降主要由微通道內的氣泡數目決定.文獻[14]中總結了多相流反應器內的微通道柱塞流方面的研究，對柱塞流對傳質的影響、柱塞的壓降和停留時間做了分析和評估.文獻[15]對豎直毛細管長柱塞流內添加表面活性劑的影響進行研究，發現了液膜減薄和延遲效應，并建立了氣泡上升速度與液膜厚度的關系式.

目前文獻多數是關于微通道流型和壓降的研究，流場方面的研究多是二維實驗研究和數值模擬，而少有關于柱塞流三維流場的實驗研究.本文利用三維MicroPIV技術對微通道氣液柱塞流進行實驗觀察測量，通過圖像處理分析，研究氣泡頭部區域流場.西南交通大學學報第48卷第2期王凌等：微通道氣液柱塞流頭部流場三維實驗研究1實驗1.1實驗裝置如圖1所示，實驗裝置主要由流體加注系統、實驗段、電加熱系統、激光器系統和可視化MicroPIV系統組成.

1. 注射泵； 2. 激光器電源； 3. 固體激光器；

4. 實驗段； 5. 加熱器； 6. 智能溫控表；

7. CCD攝像機； 8. 熒光顯微鏡；

9. 計算機采集系統； 10. 燒杯

流體加注系統包括注射泵、注射器、燒杯以及連接管道等部分.本文工質采用濃度0.01 M的硼砂溶液， Duke Scientific公司生產的直徑為0.5 μm聚苯乙烯球作為示蹤粒子.綠色固體激光器的波長為532 nm，顆粒受激產生610 nm的熒光.為控制工質流量，用Aitecs公司生產的SEP10S型數控注射泵驅動工質流動，其相對精度為±2.0%.1.2實驗段采用浙江大學微分析系統研究所利用氫氟酸溶液濕法刻蝕技術制作的玻璃微通道芯片，整體結構如圖2所示.通道截面為100 μm×30 μm（寬×高），長度為40 mm.微通道芯片兩端留有蓄液池作為連接孔，蝕刻深度與通道深度一致，連接孔直徑為2 mm.由于刻蝕技術原因，微流道截面并不是規則的矩形，經測量截面尺寸為97 μm×27 μm（寬×高）.

實驗段裝置剖面示意如圖3所示.微流道芯片基片材質是普通綠玻璃，在50～200 ℃內，平均膨脹系數為9.4×10-6/℃，折射率為1.512，化學穩定性良好，可較好地滿足實驗條件.

1.3可視化MicroPIV系統可視化MicroPIV系統由CCD攝像機、落射熒光顯微鏡、數據采集卡、微型計算機和數據采集軟件構成.圖像采集設備是BASLER公司生產的A102f型號的高靈敏度黑白CCD攝像機，最大分辨率為1 392×1 040，每個像素的大小為6.45 μm×6.45 μm，在最大分辨率的8位輸出模式下最大采集幀率為15.1 幀/s.

圖像采集系統由CCD攝像機、圖像采集卡、圖像采集軟件和計算機構成.核心儀器是科儀電光儀器廠生產的YZ2型落射式熒光顯微鏡.圖像采集系統記錄和存儲微流道實驗段中的熒光顆粒衍射圖像.北京榜首科技公司生產的固體激光器作為激發光光源，配置 50 mW連續藍光激光器（波長為473 nm）和500 mW連續綠色激光器（波長為532 nm）.藍色和綠色激光器分別采用VAⅡ型和VDⅢ型激光驅動器調節激光強度.1.4實驗方法將盛有工質的注射器安置在注射泵上，打開注射泵，運行1～2 h，使流量平穩.使用激光器調節光路，并精確進入落射顯微鏡.將實驗段固定在載物臺上，然后打開并設置圖像采集系統，調整采集設置，調節載物臺和物距、燈室亮度和激光強度以獲得最佳成像效果.調節CCD位置使微流道圖像呈現在水平方向，觀測熒光顆粒的流動，待流動平穩后加熱實驗段，運行圖像采集軟件，當出現穩定的氣液柱塞流時，采集并保存數據圖像.記錄采集時的溫度、物距、采集幀率和快門時間，重復采集圖像完畢，調節顯微鏡旋鈕改變物距和溫度進行下一組實驗.實驗結束后，先關閉實驗段加熱，讓注射泵運行至實驗段冷卻，之后依次關閉激光器電源、注射泵圖像采集軟件和計算機.2實驗圖像處理2.1圖像處理誤差微流道圖像的流道邊界誤差在兩端各不超過0.5個像素，整個流道范圍內的誤差在1.0個像素之內.微流道圖像在實驗中所對應的像素數目大于400，最大相對不確定度為0.25%.

為準確測量微流道三維流動，需對熒光顆粒進行三維定位.小直徑示蹤粒子如實地跟隨并反映流體流動，以獲得高空間分辨率圖像，大直徑示蹤粒子會產生較大的梯度誤差.同時要求粒子直徑不能太小，因為粒子越小受布朗運動影響越大，布朗運動所帶來的相對誤差為

4結論采用三維MicroPIV可視化測量技術，獲得微通道氣液柱塞流實驗圖像，通過圖像處理分析獲得頭部區域流場，得到以下結論：

（1） 遠離氣柱頭部的區域，流場為層流，與單相流有類似的拋物線速度分布，即流道中心區域速度大，兩邊小；

（2） 無論微流道中心區域還是靠近流道頂部或者底部區域，甚至貼近壁面區域，液體速度均比氣柱速度大；

（3） 在氣液界面和壁面之間的流體，運動較復雜，有可能是流向氣液界面、流向壁面，也可能在局部產生回流；

（4） 氣柱頭部附近區域，液體沿著氣液界面流動，形成兩個以流道中心為軸呈對稱分布且反向的漩渦，增加了徑向的流體動量混合；

（5） 氣液界面近似為剛性，氣泡在運動中幾乎不變形，但在較大的液體剪切力作用下可以運動變形.

參考文獻：

[1]KANDLIKAR S G. Twophase flow patterns， pressure drop， and heat transfer during boiling in minichannel flow passages of compact evaporators[J]. Heat Transfer Engineering， 2002， 23（1）： 523.

[2]SUO M， GRIFFITH P. Twophase flow in capillary tubes[J]. Journal of Basic Engineering， 1964， 86： 576582.

[3]SERIZAWA A， FENG Z， KAWARA Z. Twophase flow in microchannels[J]. Experimental Thermal and Fluid Science， 2002， 26： 703714.

[4]CHUNG P M Y， KAWAJI M. The effect of channel diameter on adiabatic twophase flow characteritics in microchannels[J]. International Journal of Multiphase Flow， 2004， 30（7/8）： 735761.

[5]ZHAO T S， BI Q C. Cocurrent airwater twophase flow patterns in vertical triangular microchannels[J]. International Journal of Multiphase Flow， 2001， 27： 765782.

[6]HASSAN I， VAILLANCOURT M， PEHLIVAN K. Twophase flow regime transitions in microchannels： a comparative experimental study[J]. Microscale Thermophysical Engineering， 2005， 9（2）： 165182.

[7]YUE J， LUO L， GONTHIER Y， et al. An experimental investigation of gasliquid twophase flow in single microchannel contactors[J]. Chemical Engineering Science， 2008， 63（16）： 41894202.

[8]SHAO N， GAVRIILIDIS A， ANGEL I. Effect of inlet conditions on gasliquid flow regimes in microchannels[C]∥First International Conference on Microfluidics. Bologna： [s.n.]， 2008： 1012.

[9]TAHA T， CUI Z F. Hydrodynamics of slug flow inside capillaries[J]. Chemical Engineering Science， 2004， 59： 11811190.

[10]YAMAGUCHI E， SMITH B J， GAVER D P. MuPIV measurements of the ensemble flow fields surrounding a migrating semiinfinite bubble[J]. Experiments in Fluids， 2009， 47： 309320.

[11]TAHA T， CUI Z F . CFD modelling of slug flow inside square capillaries[J]. Chemical Engineering Science， 2006， 61（2）： 66575.

[12]TAHA T， CUI Z F. CFD modelling of slug flow in vertical tubes[J]. Journal of Heat Transfer， 2007， 129（10）： 13411351.

[13]FUERSTMAN M J， LAI A， et al. The pressure drop along rectangular microchannels containing bubbles[J]. Lab on a Chip， 2007（11）： 14791489.

[14]KREUTZER M T， KAPTEIJN F， MOULIJN J A， et al. Multiphase monolith reactors： chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels[J]. Chemical Engineering Science， 2005， 60（22）： 58955916.

[15]DARIPA P， PASA G. The effect of surfactant on long bubbles rising in vertical capillary tubes[J]. Journal of Statistical MechanicsTheory and Experiment， 2011（3）， L02003.

[16]GIBSON S F， LANNI F. Experimental test of an analytical model of aberration in an oilimmersion objective lens used in threedimensional light microscopy[J]. Journal of Optical Society of American， 1992， 9（1）： 154166.

[17]OLSEN M G， ADRIAN R J. Outoffoucus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry[J]. Experiments in Fluids， 2000（Sup.）： S166S174.

（中文編輯：秦瑜英文編輯：蘭俊思）