彎曲正方形截面微通道內氣液兩相流流型研究

周云龍 田 敏 王 迪

(東北電力大學能源與動力工程學院)

微通道以其高效及靈活等優點被廣泛應用于微化工、石油、能源及環境等行業中[1～3]。國內外學者對直微通道內的氣液兩相流流型進行了大量的研究，Triplett K A等實驗研究了內徑為1.10mm的圓形微通道與當量直徑為1.09mm的半三角形微通道內的空氣-水兩相流動，觀察到氣泡流、擾動流、彈狀流、彈狀-液環流和液環流[4]；Zhang P和Fu X對內徑為0.531mm的圓形微通道內豎直向上流動的氮氣-液氮兩相流流型進行了實驗研究，除觀察到氣泡流、彈狀流、擾動流和液環流外，還發現有限制氣泡流、霧狀流和氣泡濃縮擺動流[5]。但國內外關于彎曲微通道內氣液兩相流的研究幾乎沒有。緊湊型微小型熱交換器[6]的彎曲處氣液分配不均會導致傳熱惡化；微化工反應器[7]內流體的混合主要靠分子擴散，混合微通道設計成彎曲狀對提高混合效率有很大作用?；趶澢⑼ǖ赖膬烖c，Kumar V等對直徑為0.5mm、不同曲率比的T型和Y型進口下彎曲微通道內的氣液兩相流進行了數值模擬[8]，但該研究只局限于Taylor流，且研究的正確性缺乏相關實驗證明。Donaldson A A等利用高速攝像儀研究了曲率比為6的水平多U型蛇形管內的氣液兩相流，發現彎頭內的二次流既分裂成大長氣泡又聚合成小氣泡，但沒有研究其他曲率比下的氣液流動特性[9]。

筆者以空氣和水為工質，研究不同曲率比下正方形截面為0.8mm×0.8mm的彎曲微通道內的氣液兩相流，希望能對合理設計微型換熱器和微化工混合器的氣液流動分布結構、保證微通道內優異的傳熱傳質特性提供理論指導和技術支撐。

1 實驗系統

1.1實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，實驗設備主要由空氣壓縮機、精密高壓液體注射泵、實驗段、水箱和氣水分離器組成。實驗以空氣和水為工質，水由型號為Harvard PHD Hpsi 22/2000的精密高壓液體注射泵推動，最大流量可達7 000mL/h；空氣經壓縮機、氣體流量計和調節閥門進入彎曲微通道內，氣水混合物流出實驗段進入氣水分離器。彎曲微通道是以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基材加工制作而成的科研類微流控芯片。高速攝影儀采用瑞士Weinberger 公司Speed Cam Visario系統，最大分辨率為1536×1024，最大幀頻10 000幀/s，可以十分清晰地拍攝兩相流的流型變化。實驗中使用500W碘鎢燈進行照明，在圖像采集過程中采用逆光照明。實驗段后側放置硫酸紙，它可使光線分布均勻。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2微通道尺寸

實驗段采用刻蝕技術加工不同尺寸的彎曲微通道(圖2)，彎曲微通道由完全相同的Ⅰ、Ⅱ兩弧段組成，截面為0.8mm×0.8mm的正方形。實驗段取4個直徑為2mm的孔作為進/出口和壓力測點，氣液兩相混合區域長度為5mm。定義水力直徑為dh，曲率比λ=D/dh，dh=4Ae/Pe=4a2/4a=a，則λa=Da/dh=12/0.8=15，λb=Db/dh=20/0.8=25。

a. λa=15

b. λb=25

2 實驗結果和討論

2.1氣液兩相流流型

實驗的氣相、液相流量分別為100～23 040、100～3 000mL/h，對應的表觀氣速UG為0.043～ 10.000m/s，表觀液速UL為0.043～1.300m/s。通過實驗得到5種典型流型，并發現非典型的分散泡狀流和波狀分層流。

彎曲微通道內的毛細泡狀流如圖3所示。由圖3a看出，大小幾乎均勻的稍扁球形氣泡充滿整個流道截面，這與文獻[10]得到的水平正方形截面直微通道內的毛細泡狀流非常相似。圖3b顯示，隨著表觀液速的增大，彎曲段小氣泡受到外側液體的擠壓，分布在內側并開始變形，氣泡直徑變小，在離開彎曲弧段的上升過程中開始聚積，小氣泡之間的距離變小且不均勻。稍扁球形小氣泡在離開彎曲弧段時變大，形狀恢復成球形，這是因為氣泡離開彎曲弧段時受外側液體的擠壓力減小，表面張力重新占主導地位，維持小氣泡為球形。

a. UL=0.470m/s，UG=0.043m/s

b. UL=0.520m/s，UG=0.043m/s

在毛細泡狀流流動情況下，增加表觀液速，流型特性很快發生了變化(圖4)。微小氣泡直徑變得極其微小，且分布在連續液相中，筆者將其定義為非典型毛細泡狀流。圖4a中微小氣泡的運動軌跡很容易受液相運動的影響，有些氣泡在進入彎曲弧段時受液體二次流的影響位置變得混亂。表觀液速增加到0.900m/s時出現了圖4b所示的流動情況，微小氣泡在彎曲弧段內非常規律地排列在內側，形狀不再是軸對稱的小球形氣泡，尾部不再是光滑的半球形，整體變得狹長，近似于傾斜的小橄欖球形。進入直管段時，盡管受到的液體壓力減小，但氣泡仍沒有恢復球形且位于管道的一側，這是因為液體在彎曲弧段時受到離心力的作用產生強烈的徑向運動，被甩向外側碰壁回流作用于微小氣泡，使其離開彎曲弧段進入直管段時來不及充滿整個直管截面。

a. UL=0.600m/s，UG=0.043m/s

b. UL=0.900m/s，UG=0.043m/s

圖5為彎曲微通道內的彈狀流，圖5a為標準彈狀流，氣彈的頭部和尾部都是規則的半球形，并沿軸向對稱，氣彈的內外兩側與管壁間的液膜厚度幾乎沒有差別，這與文獻[11]描述的彈狀流特性一致。當表觀氣速進一步增加、表觀液速進一步減小時，圖5c、d顯示的彈狀流氣彈被拉長，氣彈形成時間增加，且氣彈數量減小。此外，從圖5d還可以看出，逐步發展的長氣彈在彎曲段拉長時被外側液體剪切力截斷。

a. UL=0.217m/s，UG=0.086m/s

b. UL=0.170m/s，UG=0.260m/s

c. UL=0.043m/s，UG=0.130m/s

d. UL=0.043m/s，UG=0.430m/s

從圖5還可以發現，圖5b的彈狀流流型特性和圖5a、c、d的有著顯著差異，圖5b中氣彈頭部呈子彈形，尾端斜向彎曲微通道內側形成尖角，氣彈外側液膜的厚度大于內側液膜的厚度。此時的彈狀流已偏離軸對稱形狀，氣彈剛離開彎曲微通道，其尾端很快變為光滑的平坦狀，且其長度隨之增加。另外，氣液界面呈現的由彎管內側伸向外側且與流動方向夾角為銳角的條紋說明，液相局限于在管壁附近的薄液膜內流動，彎管內液相的二次流效應使液相向氣液界面施加切應力，導致氣核旋轉，此時的二次流流線可能是螺旋狀流線。這與文獻[12]研究的微重力下小通道內氣液兩相流的結果比較吻合。

為了全面地研究彎曲微通道內流型特性，對高速區不同氣液表觀速度下的工況進行了實驗，得到的流型如圖6所示。

a. 間歇流(UL=0.210m/s，UG=1.500m/s)

b. 波狀分層流(UL=0.100m/s，UG=1.300m/s)

c. 擾動流(UL=0.900m/s，UG=2.000m/s)

d. 環狀流(UL=1.700m/s，UG=7.000m/s)

圖6a顯示在彎曲微通道弧段，氣液界面波動增強，氣相沿軸向連續充滿整個管道截面，形成軸向不對稱的間歇流。間歇流的形成是氣液兩相離心力相互抗衡的結果，在彎曲弧段液相受到離心力被甩向外側，碰到管壁回流與受到強離心力的氣相強烈作用。當離心力使得氣液兩相相互作用且各自連續時，便形成了直微通道少見的波狀分層流(圖6b)，此時液相主要分布在彎曲弧段外側。

彎曲微通道內氣液兩相的表觀速度都相對較大時形成了擾動流(圖6c)，彎曲弧段氣液界面既存在彎曲微通道內側伸向外側的條紋，又存在外側伸向內側的條紋，且氣核繞軸高速旋轉。這是因為液相受到強烈的離心力使之撞擊彎曲微通道外側，回流分為兩股分別沿管壁向內側運動擠壓氣相，形成強烈的斜方向剪切力，將長的氣核剪成兩條絲狀條帶。

從圖6d可以看出，液相受離心力的作用撞到彎曲微通道外側，回流擠壓氣相使其凹陷，但不足以使高速的氣相長氣泡斷裂，從而形成環狀流。氣相在流道中心流動，液相緊貼流道壁面形成液膜狀流動，且彎曲微通道外側液膜厚度大于內側液膜厚度。

綜上所述，彎曲微通道離心力作用對氣液兩相流流型和流型特性的影響比較顯著：當離心力作用不明顯時，表面張力維持的毛細泡狀流和彈狀流特性無異于直微通道的；當離心力作用明顯時，出現了非典型毛細泡狀流和波狀分層流，且其流型特性和直微通道內的典型流型特性存在較大差異。

2.2氣液兩相流流型圖

圖7為由實驗結果整理得到的流型圖和流型轉變界限。在表觀氣速低于0.210m/s、表觀液速高于0.347m/s的區域內出現了毛細泡狀流；在此范圍內，隨著表觀液速的增加，出現了非典型毛細泡狀流；表觀氣速為0.210～1.000m/s時，主要形成了彈狀流和拉長彈狀流；表觀氣速大于1.000m/s時，隨表觀液速的變化出現了波狀分層流、間歇流和擾動流；在表觀液速低于0.600m/s、表觀氣速大于7.000m/s的區域內出現了環狀流。間歇流和擾動流的轉變表觀液速約為0.500m/s，彈狀流和間歇環狀流的轉變表觀氣速約為0.800m/s。對比圖7發現：隨著曲率比λ的減小，毛細泡狀流轉變表觀液速略有上升，這可能是因為在彎曲弧段液體壓降增大，而氣體壓降相對液體變化不明顯，導致液體對氣泡的作用力減小，氣泡的軸向、徑向長度就會變長、變大向彈狀流發展，所以轉變表觀液速的提升可以彌補液體彎曲弧段的壓力損失；波狀分層流、間歇流和環狀流向較小表觀氣速方向移動，轉變提前；波狀分層流和間歇流區域擴大，這是因為流動方向的急劇轉變加強了氣液界面的動量交換，界面更易波動，離心力作用的增強使彎曲微通道內的氣液兩相流更趨于分離，再加上二次流擾動引起的氣液相互作用，所以較小的曲率比更容易引發波狀分層流和間歇流。

a. λa=15

b. λb=25

2.3與相同(相近)水力直徑的其他直微通道流型轉變對比

圖8為本實驗、dh=0.8mm的正方形截面直微通道[13]、dh=0.866mm的豎直三角形直微通道[14]和dh=0.8～1.0mm的圓形截面直微通道[15]的流型轉變界限比較，文獻[13]把擾動流定義為泡沫狀流，沒有出現泡狀流，取而代之的是彈狀流出現在該區域。文獻[14]把擾動流定義為攪拌流，觀察到了4種典型流型。文獻[15]對水力直徑為0.8～1.0mm的圓形微通道做了實驗，采用平均的方法得到了dh<1.0mm微通道的普適性流型轉換界限。

由圖8的轉變界限可以發現：

a. 本實驗的泡狀流區域位于文獻[14]的泡狀流范圍內。隨表觀氣速的增加，文獻[13，14]的流型轉變線中攪拌流(泡沫狀流)轉變為環狀流，而本實驗中擾動流不再發展為環狀流，而是間歇流；本實驗環狀流轉變表觀氣速提前。

b. 文獻[15]的普適性流型轉換界限圖基本適用于本實驗，其泡狀流和間歇流之間的轉換界限BI和本實驗泡狀流和彈狀流之間的轉換界限BS十分相似。間歇流和攪拌流之間的轉換界限

圖8 流型轉換界限比較圖

IC對應的表觀氣速和表觀液速比本實驗中向擾動流轉換的要大，間歇流和環狀流之間的轉換界限IA和本實驗的相應轉變界限IA趨勢基本一致，但其轉換氣、液表觀速度都向變大的方向推移了。

通過以上分析比較可以看出：泡狀流轉變邊界的位置和其他直微通道的比較相似；隨著表觀氣速的增加，彈狀流與擾動流之間的轉換界限、間歇流與環狀流轉變的表觀氣速都提前。

3 結論

3.1彎曲微通道離心力作用對氣液兩相流流型和流型特性的影響比較顯著：當離心力作用不明顯時，表面張力維持的毛細泡狀流和彈狀流特性無異于直微通道的；當離心力作用明顯時，出現了非典型毛細泡狀流和波狀分層流，且其流型特性和直微通道內的典型流型特性存在較大差異。

3.2隨著曲率比λ的減小，毛細泡狀流的轉變表觀液速略有上升；波狀分層流、間歇流和環狀流向較小表觀氣速方向移動，轉變提前；波狀分層流和間歇流區域擴大。

3.3泡狀流轉變邊界的位置和其他直微通道的比較相似；隨著表觀氣速的增加，彈狀流與擾動流之間的轉換界限、間歇流與環狀流轉變的表觀氣速都提前。

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