圓形微通道結構多相流流動形態試驗及數值模擬研究

邱思聰，孫旭光，葉輝，孫曉策

(中國北方車輛研究所總體技術部，北京 100072)

0 前言

微通道設備憑借其極強的傳熱、傳質能力，其物質混合效率比傳統設備高2～3個數量級，能有效混合原本不相溶的氣、液、固態顆粒等多相混合物。微通道多相流的混合流動現象廣泛存在于機床液壓、機械制造、石油化工、生物制藥、能源動力等工程領域。微通道多相流相關課題具有極高的研究意義和廣闊的工程應用前景。

在生產應用中，為解決傳統微通道設備單位時間產量較低的局限性，SAR型(Split-and-Recombine)微通道逐漸成為工業應用主流。SAR型微通道的主要特征為上游分裂成為多股分流，然后讓兩股流體在混合元件中互相沖擊，經過多級串聯后形成分離—匯聚—再分離的結構。相較于傳統結構微通道，SAR型微通道設備具備混合效率更高、處理流體流量更大等優點。在實際微通道設備中，管路往往處于層層封閉狀態，難以直接觀測到氣液多相流流動。復雜結構微通道內部流動已成為研究熱點，如對心形微通道構型內多相流流動的研究表明，毫米量級尺寸內的大流量微通道設備內存在大量剪切流動現象，而這些剪切流動現象正是復雜結構微通道可以具備優良多相流混合效能的原因。對于復雜微通道而言，在不同邊界條件下，微通道流道內部流體的具體流動狀態和流動參數需要通過實驗和數值模擬研究相結合的方法得出。

本文作者采用實驗方法研究圓形微通道結構內，在不同條件下的氣液兩相流流動形態。通過實驗研究不同條件下微通道內部氣液流動形態變化，研究內部氣液兩相流的剪切流動分布和變化情況。

1 微通道實驗設置

1.1 圓形微通道實驗平臺

圖1所示為圓形微通道實驗平臺。工作流體為氮氣和水，實驗中氮氣和水流經由兩個入口引入圓形微通道設備。水流量通過轉子流量計測量。氮氣和水流流過微反應器的微通道。由鏑燈、高速攝像機和數據計算機組成的高速攝像機系統用于觀察和記錄微通道中的流動形態。

圖1 測試設備示意

1.2 微通道反應器模型

實驗中使用兩種不同的微通道設備，兩個微通道中擋板的大小不同。微通道長560 mm，厚30 mm。流體區域長540 mm，厚5 mm。擋板橫向寬度為5 mm的微反應器稱為M05；擋板橫向寬度為10 mm的微反應器被稱為M10。

研究中流向條件設為正向和反向，以確定微反應器中兩個相反的流動方向。 如圖2所示，當流動沖擊塊的凸面時，流向被稱為正向流動，當流動沖擊塊的凹面時，被稱為反向流動。

圖2 正向和反向流動示意

2 圓形微通道多相流流動形態實驗研究

不同擋板朝向對流動特性的影響如圖3所示。可知：在正向流動工況中，來流沖擊擋板凸面，擋板僅改變氣泡流動路徑，氣泡快速隨著凸面擋板外沿流向下游，產生少量的聚并和分離；在反向流動工況中，來流沖擊擋板凹面，擋板前方聚集有大量氣泡，氣泡彼此沖擊并在擋板處變形。

由圖3可知：當改變氮氣流量，從0.13 L/min增加到1.02 L/min時，隨著流量增加，氣泡會從單個小氣泡狀態逐漸增大，并在擋板處產生氣泡的聚并和分離，流量越大時擋板處氣泡的聚并分離現象越嚴重，氣液兩相流在此處產生了較為劇烈的混攪現象。

圖3 不同擋板朝向對流動特性的影響(水流量為0.167 L/min)

如圖3所示，在垂直放置反向流動中，隨著氣體流量的增加，氣泡的撞擊、擠壓和變形變得更加劇烈。由于氣泡撞擊擋板的凹面，凹面內部會對氣泡產生滯留作用，氣泡會在此產生更大的聚集，并在擋板側面的流道處產生分裂。

圖4所示為水流流量為10 L/h，氮氣流量為0.13、0.25和0.5 L/min時，M05和M10中的流動形態。兩列Horizontal中重力垂直于流動方向，兩列Vertical中流動方向逆向于重力方向；擋板后面都存在一個停滯區。水平和垂直放置微反應器停滯區域的差異：水平放置的停滯區域由氣泡組成，垂直放置的停滯區域主要是水流集聚區。

圖4 重力對流動形態影響

M05和M10豎直流動工況如圖5所示。氣液多相流由下方流向上方，氮氣流量1.02 L/min。在M05中，氣泡很容易地穿過擋板與反應器腔壁之間間隙，并且變形很小，氣泡仍呈現為球形狀態;在M10中，氣泡穿過間隙較為困難并且變形量很大。

圖5 氣泡分別穿過M05、M10的擋板兩側縫隙

3 圓形微通道多相流數值模擬研究

微通道的多相流流動存在較強的剪切流動特性，因此需要針對不同微通道反應器進行具體的數值仿真，得到內部流場結構。進一步研究微通道內流動的具體狀態，并提出一整套適用于計算復雜通道內部氣液兩相流運動情況的方法。

3.1 數值計算模型選擇

剪切應力輸運模型(Shear Stress Transport)簡稱為SST-模型，其控制方程為

(1)

(2)

式中:表示由于速度梯度引起的湍動能源項；和表示和的對流項；和表示由于湍流引起的和的有效擴散項；SST-模型相較于標準-模型多了一組交叉對流項，這使得湍流黏度中考慮了剪切應力的傳播。SST-模型結合了-模型在近壁區計算的優勢和-模型在遠壁面區域計算的優勢，可以通過將它們全部乘以混合函數然后再相加來獲得該模型。Y形反應器幾何結構復雜，通道尺寸不固定，SST-優良的幾何適應性可以在復雜幾何結構中得到較為精確的湍流計算結果。

多相流模型采用CLSVOF模型，該方法結合了VOF方法與Level-Set邊界計算，在計算不可壓縮的多相流體時，可以精確捕捉相間界面。傳統Level-Set模型通過求解網格到界面的距離來判斷該位置的相。計算相界面精準，但多次迭代后質量可能不守恒。

(3)

其中:[,()]為從網格的中心到相界面()的距離函數。

采用VOF模型計算函數，利用物理性質求解計算域的兩相分布，時刻滿足質量守恒，但在曲率較大、變化劇烈的網格處會出現精度下降和計算發散問題。

(4)

式中：為單元中流體體積；為單元體積；=1時為副相，=0時為主相。

CLSVOF方法所有流體共享速度場、湍流場等。在均質多相流中，所有流體以及溫度和湍流等相關領域共享一個共同的流場。這允許對多流體模型進行一些簡化，形成均質模型，并用Level-Set方程控制界面計算，保證VOF模型計算結果的真實準確。CLSVOF方法是較為精確的多相流計算模型，其計算過程如圖6所示。

圖6 CLSVOF計算流程

如圖7所示，不同潤濕性對材料表面氣液兩相流形態有較大影響，因此應考慮壁面材料的表面潤濕性對多相流流態的影響。壁面三相接觸角計算公式為

圖7 壁面接觸角

(5)

式中：、、分別代表氣固、液固和氣液相界面的自由能。經計算，文中表面張力與表面潤濕性共同影響下水、氮氣、鋁的三相接觸角為36°。

3.2 微通道內部氣液流動結果與分析

通過計算復雜流道內部流場結構，可以得到氣液兩相流在流道內部的流動狀態。為減弱入口效應對流動的沖擊，結果取后兩個反應腔的數值仿真結果。

圖8所示為微通道內不同時刻氣液分布，圖中紅色代表氣相，藍色代表液相，綠色為氣液交界面。為0.02～0.021 s時，氣泡流由喉部噴出，向擋板前側運動；為0.022～0.023 s時，擋板左側流道通過氣泡，氣泡發生形變同時分裂成為兩個小氣泡；為0.024～0.026 s時，氣泡流流過擋板向下游流動，流速減慢，同時擋板后側有一個相對較大的區域無氣泡存在。由圖8可知：隨著氣液流動從下向上的過程，氣泡由喉部進入擋板前部的混合區域，由于流道變寬，流速變緩，氣泡由圓形逐漸變扁形成細長形狀氣泡。細長形氣泡在擋板側部流道發生分裂，分裂出數個極小的微形氣泡以及1～3個相對較大的氣泡團；氣泡流通過擋板后隨著水流流動，微小氣泡快速向上運動，較大的氣泡則運動相對緩慢，并發生一定的氣泡聚并現象。

圖8 氣液流動不同時刻形態(氣液比)

圖9所示為壓力、流線分布。由圖9(a)可知：氣泡流通過喉管后沖擊擋板，擋板單側區域存在中低速的混合區，平均為1 m/s；高速流體分為兩股，順著擋板兩側流道沿著反應腔側壁高速流向下游，速度為2.5 m/s；擋板前側中低速混合區域內存在漩渦，漩渦內氣液混合效果較好，氣液邊界變形劇烈且發生氣泡的變形和分裂、聚并現象；擋板側面流道由于形成縮放管路，流速在擋板側面達到最大3 m/s，且氣泡發生拉長、分裂；在擋板后側出現了低速流動區域，流動速度低于0.5 m/s，且存在漩渦并形成流動停滯區域。由圖9(b)可知：壓力最高的區域位于擋板前側，氣液兩相流在擋板前側速度低而壓力高，氣液交界面變化劇烈，擋板前后壓差為1 327 Pa。

圖9 壓力、流線分布

4 結論

建立了復雜微通道內部全流場流動顯示系統，該系統由高速攝影系統和介質通入系統兩部分組成，實現了微通道內部氣液兩相流綜合測量。開展了微通道氣液多相流流動形態的實驗研究，以圓形微通道為研究對象，對微通道內氣液多相流非定常流動進行了系統的測量分析。結論如下：

(1)重力對微通道內部流動的影響：當重力垂直于流動方向時，會發生氮和水的分層現象，水相下沉、氮氣上浮，其氣液混合效果較差，內部剪切流動現象不明顯；當重力與水流方向平行時，水氣混合較好；

(2)結構對微通道內部流動的影響：當凹面面向流向(反向)時，氣泡在擋板的前面相互撞擊、互相擠壓變形，產生了大量剪切流動現象；當凸面面向流向(正向)時，擋板只是改變了氣泡的流動路徑，剪切流動現象不明顯；

(3)流量對微通道內部流動的影響：隨著氮氣流量的增加，氣泡的尺寸、速度和體積分數增加，氣泡數量增加，有助于增大氣液混合效果。

對微通道內部多相流數值計算方法進行了研究。該方法包括基本控制方程、CLSVOF多相流模型、SST-湍流模型、壁面接觸角控制等；增加了微通道內氣液兩相界面的數值模擬準確度，實現了對微通道內湍流流動的精準捕捉，可顧及復雜微通道流道內部不同區域的流動特性，綜合考慮了湍流對化學反應傳質過程的影響機制。結果表明：有擋板的復雜結構微通道加劇了流體剪切流動特性，形成了氣泡的分離、匯聚、再分離過程，大大促進了氣液兩相流的混合效果。