微通道液-液兩相流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

張井志，李慧玲，雷 麗

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

微化工是一項(xiàng)跨學(xué)科的高新技術(shù)，集合了化工、機(jī)械、電子、物理和材料等領(lǐng)域的研究成果。由于裝置小型化，該技術(shù)具有體系反應(yīng)的效率高、反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)環(huán)境穩(wěn)定、安全性高以及容易控制流態(tài)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。根據(jù)微通道中工質(zhì)的不同，主要有氣-液[4-6]與液-液[7-10]兩相流。液-液兩相的流動(dòng)受微通道尺寸空間的限制，離散相尺寸較為均一，相界面積比高傳統(tǒng)反應(yīng)器1 ～ 3個(gè)數(shù)量級，故從液-液流動(dòng)方面看，通過調(diào)控微通道流型能有效改善反應(yīng)過程[11-14]。

T型微通道結(jié)構(gòu)簡單，生成的微液滴分散性好、大小均一，因此應(yīng)用廣泛。韓宇[15]對液滴生成過程受力分析，指出氣泡生成基于擠壓模式、過渡模式、剪切模式。王曉軍等[16]、季喜燕[17]通過模擬T型微通道液-液兩相流，分析得到通道下游遠(yuǎn)離通道壁面的離散相速度遠(yuǎn)大于T型結(jié)口近壁面離散相速度。Dessimoz等[18]利用實(shí)驗(yàn)方法觀察了不同當(dāng)量直徑的方形微通道內(nèi)液-液兩相流流型。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，微通道內(nèi)液-液兩相流的流型由界面張力，粘性力和慣性力共同決定。Kashid等人[19]以甲苯-水為兩相流研究體系，研究了4種不同幾何結(jié)構(gòu)的微通道內(nèi)液-液兩相流流型。結(jié)果表明：4種不同結(jié)構(gòu)的微通道內(nèi)均觀察到彈狀流、彈狀流-滴狀流、變形界面流以及平行流/環(huán)狀流。Y型與同心圓型結(jié)構(gòu)對于微通道內(nèi)流型間的轉(zhuǎn)換有著明顯的區(qū)別。Darekar等[20]研究了微通道直徑對與Y型微通道內(nèi)液-液兩相流型轉(zhuǎn)換的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)微通道直徑的減小時(shí)，兩相在微通道中的流動(dòng)更易形成平行流。

目前已有一些文獻(xiàn)研究微通道中液液兩相流的特性，但對于微通道中兩相流動(dòng)速度及液滴形成時(shí)間仍有不足。本文以0.5%SDS蒸餾水與硅油分別作為連續(xù)相和離散相，分析凹穴型微通道液滴生成過程、形成時(shí)間，研究不同微通道結(jié)構(gòu)對液滴長度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

凹穴型微通道液-液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)測試段如圖1所示。離散相(硅油)和連續(xù)相(含0.5%SDS的蒸餾水)分別由型號為LSP02-1B與LSP01-1A的微量注射泵驅(qū)動(dòng)流入微通道的實(shí)驗(yàn)測試段。通過微通道實(shí)驗(yàn)測試段的兩相混合液流入廢液收集器并正確處理。實(shí)驗(yàn)中，兩相輸入系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)測試段與廢液收集器之間采用直徑為3mm的硅膠管連接。微通道材質(zhì)為亞克力玻璃，采用雕刻機(jī)對亞克力平板精密加工得到含有微通道(截面尺寸為：W×H= 500×415 μm)的刻槽板與蓋板，刻槽板與蓋板通過螺栓密封連接。微通道劃分兩部分：主通道長度為7.5 mm標(biāo)準(zhǔn)對沖T型微通道即平直段，間隔一定距離在直通道兩側(cè)加工一個(gè)凹穴即為凹穴段。實(shí)驗(yàn)中圖像采集系統(tǒng)，采用100 W的背光源提供光照，高速攝像機(jī)記錄微通道內(nèi)的兩相流型。實(shí)驗(yàn)中拍攝區(qū)域包括T型入口處、反應(yīng)器下游凹穴通道的區(qū)域。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)測試段示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 液滴形成過程分析

實(shí)驗(yàn)過程中，兩相流量的變化范圍分別為：Qc=5～200mL/h，Qd=1～10mL/h，通道內(nèi)主要為彈狀流與滴狀流。由圖2可知，兩種液滴在通道內(nèi)的生成位置及生成時(shí)間有著明顯的差異。當(dāng)離散相流量與連續(xù)相流量的比值較大時(shí)，微通道內(nèi)主要形成彈狀流。隨著時(shí)間的推進(jìn)，離散相逐漸膨脹(30ms)，進(jìn)而填充整個(gè)微通道(60ms)。隨著離散相進(jìn)一步阻塞微通道(60～ 110)，液滴前后形成較大的壓差力，兩相界面逐漸向離散相入口側(cè)收縮。當(dāng)t= 110 ～ 118 ms時(shí)，液-液界面會(huì)快速拉伸、剪斷，形成彈狀液滴，如圖2(a)所示。滴狀流的形成過程如圖2(b)所示，隨著兩相流量比的減小，離散相逐漸膨脹進(jìn)而占據(jù)部分微通道(0 ～ 25 ms)。連續(xù)相流量的增大，剪切力占據(jù)主導(dǎo)作用，液-液界面迅速斷裂形成較小液滴。對比圖(a)、(b)可得，滴狀流的生成頻率高于彈狀流。

2.2 液滴速度與形成時(shí)間的影響規(guī)律

液滴的生成時(shí)間本質(zhì)決定著液滴的長度，在定量的Qc或Qd下，液滴的生成頻率越低，液滴的長度越長。由圖3可知，無量綱液滴速度隨Cac的增大而逐漸增大。當(dāng)Cac< 0.005時(shí)，通道內(nèi)為彈狀流，主要依靠壓差力與界面張力作用。由于連續(xù)相流量低，與離散相之間的流量差較小，在液滴形成時(shí)，由于離散相幾乎占據(jù)整個(gè)通道，連續(xù)相流動(dòng)被阻塞，對下游通道內(nèi)兩相混合流動(dòng)的推動(dòng)作用小，因此隨著Cac的增長，Vd/(jd+j《》c)增長較緩。當(dāng)0.005< Cac< 0.01時(shí)，通道內(nèi)流型為過渡流。與彈狀流相比，過渡流形成時(shí)離散相占據(jù)部分通道，對連續(xù)相流動(dòng)的阻塞作用減弱，進(jìn)而對液滴的推動(dòng)作用增強(qiáng)，因此Vd/(jd+jc)隨著Cac的增長逐漸增大。當(dāng)Cac> 0.01時(shí),通道內(nèi)主要依靠剪切力與界面張力作用形成滴狀流。隨著連續(xù)相流量的增大，離散相與連續(xù)相之間的存在較大流量差，由此產(chǎn)生的剪切力使液滴的尺寸愈小，離散相流量對于液滴移動(dòng)的推動(dòng)作用逐漸降低。因此隨著Cac的增長，Vd/(jd+jc)增長的速度減小。

圖2 液滴形成過程：(a) 彈狀流(Qc=10 mL/h,Qd=5 mL/h)；(b)滴狀流(Qc=100mL/h,Qd=5mL/h)

兩相流量對液滴形成時(shí)間的影響如圖4所示，t隨著Qc的增大而減小。隨著連續(xù)相流量的增大，離散相與連續(xù)相之間的流量差逐漸增大，剪切作用逐漸增強(qiáng)，液-液界面更易破裂形成液滴。當(dāng)Q……c> 100 mL / h時(shí)，Qd增大，液滴形成時(shí)間基本無變化。如圖2所示液滴形成時(shí)間是分散相膨脹填充通道的時(shí)間與液滴頸縮時(shí)間的總和。與滴狀流形成時(shí)間相比，彈狀流的頸部斷離需足夠時(shí)間積累的壓差力克服界面張力，導(dǎo)致彈狀流的形成時(shí)間較長。

圖3 Vd/(jd+jc)隨Cac的變化規(guī)律

圖4 t隨Qc的變化規(guī)律

2.3 通道結(jié)構(gòu)對液滴長度的影響

微液滴的形成過程涉及到界面的擠壓、兩相界面的破裂等問題，而微通道結(jié)構(gòu)的不同對于液滴的形成、流動(dòng)有一定的影響。兩種不同結(jié)構(gòu)的微通道對于液滴長度的影響如圖5所示。由圖可得，無量綱液滴長度(Ld/W)隨著Cac的增大逐漸減小，凹穴型微通道的液滴長度大于對沖T型微通道中的液滴長度。當(dāng)Cac逐漸增大時(shí)，液滴形成由擠壓機(jī)制向剪切機(jī)制轉(zhuǎn)變。液滴形成機(jī)理的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致液-液界面更易破裂形成尺寸小的液滴。如圖1所示，凹穴型結(jié)構(gòu)會(huì)減小壁面對于液滴的限制，液滴會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹作用，液滴速度會(huì)有一定的降低。兩相混合流動(dòng)的速度降低，導(dǎo)致通道下游流動(dòng)的壓降增加，T型交匯處的壓降減小。當(dāng)Cac<0.01時(shí)，通道內(nèi)為彈狀流與過渡流。兩種流型下，液-液界面都依靠壓差力的擠壓作用破裂形成液滴。T型交匯處的壓降減小，液滴形成的時(shí)間增加，液滴長度增大。因此在相同工況下，凹穴型微通道中的液滴長度會(huì)更大。

圖5 通道結(jié)構(gòu)對液滴長度的影響

3 結(jié)論

本文利用實(shí)驗(yàn)方法，分析了凹穴型微通道結(jié)構(gòu)中硅油和蒸餾水(0.5% SDS)的液-液兩相流動(dòng)的液滴形成機(jī)理、液滴流動(dòng)速度及液滴形成時(shí)間，主要結(jié)論如下：

(1)滴狀流與彈狀流在形成過程中存在本質(zhì)區(qū)別。滴狀流主要靠剪切機(jī)制作用，兩相之間的粘性剪切力起主導(dǎo)作用；彈狀流受擠壓機(jī)制作用，依靠離散相阻塞通道積累的壓差力擠壓形成液滴。

(2)無量綱液滴速度Vd/(jd+jc)隨Cac的增大而逐漸增大，t隨著Qc增大而減小。彈狀流形成時(shí)間明顯大于滴狀流形成時(shí)間。

(3)無量綱液滴長度(Ld/W)隨著Cac的增大逐漸減小，凹穴型微通道的液滴長度大于對沖T型微通道中的液滴長度。