三支管平行微通道內氣液兩相流相分配特性實驗研究

周密　汪雙鳳

摘 要：微通道的集成和放大對于微型反應器及散熱器的開發具有重要意義。文章以高純度氮氣和質量分數為0.03%的SDS水溶液分別作為氣相和液相工質，通過一系列可視化實驗，研究了入口流型為彈狀流和環狀流時，在擁有一個主管（水力直徑為0.6mm）與3個平行側支管（水力直徑為0.4mm）的平行微通道內氣液兩相流的相分配特性。實驗結果表明，側支管的相分配特性與入口流型密切相關。當入口流型為彈狀流時，氣相富集于中間的側支管。當入口流型為環狀流時，第一個支管中始終走液相，氣液兩相在后面兩個支管中的分配則相對均勻。

關鍵詞：相分配；氣液兩相流；平行微通道

引言

近年來，隨著微加工技術的發展，在直徑為微米級的槽道上開展流體實驗的研究層見疊出。與常規尺度的流體流動相比，微流體技術具有它獨特的學術價值與應用前景。比如，微通道一般具有比常規尺度高兩個數量級以上的比表面積，因此使得流體的傳熱、傳質能力大大增強[1]。作為一種結構簡單易加工的微通道結構，封頭-平行流支管被廣泛應用于各種微型換熱器及反應器中。然而，當氣液兩相流體從入口封頭流經各個平行支通道時，各支通道中氣液兩相的不均勻分配會嚴重影響裝置的性能。比如，對于換熱器，流量分配不均將給蒸發器和冷凝器帶來局部過熱或過冷的問題[2]，對于反應器，反應物的不均勻分配將會影響出口的反應產物[3]。因此，研究氣液兩相流在平行微通道內的流動現象具有重要意義。

迄今為止，有關單個T型微通道內氣液兩相流相分配的實驗及理論研究，中外學者已發表了不少論文[4-7]。Wang等[4]在水力直徑為0.5mm的水平T型三通內實驗研究了氮氣-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型微通道內實驗研究了入口流型對氮氣-水兩相相分配的影響，實驗發現，入口流型對側支管的相分配現象有著顯著影響。Azzi等[6]實驗研究了水力直徑為1mm的T型三通內空氣-水兩相流的相分配特性。研究表明，側支管液相采出分率受氣液兩相入口表觀速率的影響，隨著進口液相速率的增加，側支管液相采出分率降低。然而，有關平行微通道內氣液兩相流相分配的實驗研究則還未見有文獻報道，因此，文章對彈狀流和環狀流在擁有一個主管（水力直徑為0.6mm）和三個側支管（水力直徑為0.4mm）的平行微通道內的相分配特性進行了實驗研究。

1 實驗系統及方法

1.1 實驗系統

本實驗系統由氣液混合區、壓力測試區、兩相流可視化區、氣液分離測量區四部分組成，如圖1所示。

1.2 實驗方法

實驗在大氣壓及常溫（26℃）下進行，實驗過程中，微通道水平置于顯微鏡載物臺上，氣相由高壓氮氣瓶提供，經質量流量計控制輸出后進入雙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氣混合進入試驗段。氣液兩相混合后在主管進口處重新分配進入下游支管，氣液分離器出口的液體用電子天平實時測量，測量結果取小數點后四位，通過測量一定時間內液體的增量來計算液相流率。實驗用秒表計時，實驗結果為一段時間內的平均值。實驗分離后的三個支管出口的氣體分別進入三個皂膜流量計，推動氣泡垂直上升，通過測定一段時間內氣泡上升的高度（體積），得出各支管出口的氣相體積流率。

1.3 實驗流體

實驗以高純度氮氣及質量分數為0.03%的SDS（十二烷基硫酸鈉）水溶液作為氣相和液相工質。SDS水溶液在實驗條件下的物性參數如表1所示。

2 實驗結果與討論

2.1 入口流型觀察

實驗利用高速攝影儀拍攝到了彈狀流和環狀流兩種穩定流型，如圖2所示。每種流型分別選取5個實驗點，為確定不同兩相進口速率下的流型，所選實驗點分別被標注到Chung P M和Kawaji M繪制的流型圖3上。圖中的圓形標出了本實驗中的實驗點。

2.2 氣液兩相進口速率對相分配的影響

2.2.1彈狀流實驗結果

實驗選取5組數據點（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，其中橫縱坐標分別代表進口氣、液相表觀流率。

實驗過程中，分別固定進口氣（液）相表觀速率，通過改變進口液（氣）相速率，考察不同進口兩相流率下的相分配狀況，根據實驗數據繪制得到的相分配曲線如圖4、5所示。圖中的橫坐標表示支管序數，縱坐標分別表示從該支管抽出的氣（液）相質量流量占入口氣（液）相質量流量之比。

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

液相進口速率對相分配的影響效果如圖5所示。由圖可知，氣相進口速率一定，隨著液相速率的增加，更多氣相進入第二個支管，而更多液相走最后一個支管，這與固定進口液相表觀速率得到的結論剛好相反。以上現象產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的，液相動量相對較小，更容易拐彎進入第一個側支管；另一方面，各支管中的流動阻力存在明顯差異，氣液兩相都傾向于進入流動阻力較小的支管，使得各支管中的氣液兩相分配嚴重不一致。

2.2.2 環狀流實驗結果

實驗選取5組數據點（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，改變入口液（氣）相流率，得到的相分配曲線分別如圖6、7所示。

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

圖7顯示的是入口流型為環狀流時，液相進口速率對兩相分配的影響。由圖可知，隨著液相進口流率的增加，更多液相進入第三個側支管，對于氣相而言，則影響不太顯著，這與固定液相表觀速率時得到的結論也是剛好相反。以上現象產生的原因可解釋如下：一方面，不同于彈狀流，環狀流中的氣體是在管道中間高速運動的，液體被排擠到通道兩側，由于受到管壁摩擦減速作用影響較大，液體動量急速降低，因此相對于高速運動的氣體，具有較小動量的液體優先從側支管采出，第一個側支管始終富集液體。

3 結束語

通過對彈狀流和環狀流在平行微通道內的相分配行為進行實驗研究，可以得到如下結論： （1）當入口流型為彈狀流時，氣相富集于中間的支管，與此同時，兩側支管中則是更多液相富集。另一方面，固定進口液（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入第一個和第三個側支管； （2）當入口流型為環狀流時，氣液兩相始終相對均勻地富集于后面兩個支管，第一個支管則始終走液相。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），第二個側支管中的氣液兩相采出分率均有降低。

參考文獻

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