蛇形微通道气液两相流动特性-汶颢股份
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蛇形微通道气液两相流动特性

近年来,微通道技术已成为化工行业的重要研究方向。微尺度下的流动随着流体性质以及流动工况的变化不同于常规尺度。蛇形管在许多工业应用中都显示出其独特的效应。宋正梅对直入直出型、直角S型、圆角S型微通道在相控阵天线上的应用进行了模拟,结果表明S型通道可以使T/R组件下方流过更多的流体,这无疑会使组件热交换更加充分。Wen等研究了小管径蛇形管内的流动,结果显示蛇形管内泡状流的传热系数较常规通道有所增大。Donaldson等采用T型混合方式,在当量直径1.0563mm的蛇形通道对空气、水的流动特性进行实验,发现了泡状流、塞状流、不稳定塞状流、弹状流等流型。白璐等采用氮气、含有表面活性剂的甘油溶液为两相工质,通过T型错流方式在并行微通道内观测到泡状流、弹状流、分层流等典型流型,并指出主通道与支通道中的气泡大小不同。李洪伟等[6]将平滑Wigner三谱切片理论应用到多相流识别中,发现氮气-水的两相流型主要有分散泡状流、弹状流和环状流。Ribatski等在0.4mm管道中对R134a的流动情况进行了详细的分析,并观测到泡状流、弹状流、环状流。进一步指出不同流型对传热特性的影响也不尽相同。

蛇形管作为换热器的一种,广泛应用于核能、空调低温制冷以及化工领域中。但是,大多数的气液两相流研究都集中在直管道内。实际应用中,由于空间的局限性,需要大量的弯管结构。目前关于蛇形管的研究多见于常规尺度,微尺度下的流动特性鲜有报道。相比于常规直管道,对微米级别蛇形管内两相流的认识比较缺乏,有必要对蛇形管内的流动进一步研究。本文以空气-水为实验工质,利用高速摄像仪以及图像采集系统,对Y型混合器内气液两种混合模式下的流动进行了对比分析,以完善蛇形结构微通道气液两相流型以及相分布的认识,为实际工程应用提供一定的理论依据。

1实验系统

1.1 微通道定义及尺寸

不同的学者对微通道的定义有不同的标准,Mehendale等以当量直径作为通道划分的依据,认为直径为1~100μm时可作为微通道,而Kandlikar认为微通道当量直径应该划分在10~200μm才比较合适。Bretherton则提议当Eo<0.84时,可认为是微通道。

当Eo<0.84时,可认为是微通道 

式中,Eo为Eotvos数,ρg与ρl分别为气相和液相的密度,kg·m−3;Dh为微通道当量直径,m;σ为表面张力,N·m−1;g为重力加速度,m·s−2。

本文微通道形状如图1所示,通道截面为矩形(0.8mm×0.1mm),求得当量直径为177.8μm,Eo为4.2×10−3,符合Kandlikar和Bretherton的定义。实验中通道所用材质为PDMS-玻璃。Ⅰ、Ⅱ为两半圆,其内径为3mm、外径为4.6mm。进口段长度均为10mm,通道a、b、c3段的有效长度均为50mm,两相流采用夹角θ为50°的Y型进口。

图1蛇形微通道 

1蛇形微通道

1.2 实验装置

非机械微流体驱动方式容易受到通道表面和流体性质等的影响,在本次多相流实验控制中采用压力驱动方式,实验中压力驱动所用注射型号为SDS-MP10(最大量程1200ml·h−1,调整步距0.1ml·h−1,速度控制精度±2%)。为清晰捕捉各种典型的流型图像所用高速摄像仪最大分辨率1024×1024,最大帧频2000fps)。光源采用色温6400K的三基色光管,芯片背面铺设有硫酸纸可使光线均匀分布。进口和出口部位通过不锈钢金属细管(内径0.5mm,外径0.7mm)与聚四氟乙烯导管(内径0.5mm,外径0.9mm)连接,为防止工质对通道堵塞,在注射泵和导管之间安装了过滤器。两相流体在出口处进行气液分离,利用高精度电子天平和气体流量计,分别测量一段时间内水、空气的流量。实验系统如图2所示。

实验环境为常压,温度18.6℃。实验中将微通道在垂直面内横向放置,对两个进口分别采用图3所示方案(上气下液型以及上液下气型)。由于PDMS的疏水亲油性,实验前先用0.06%的NaHCO3溶液将通道壁面润湿,通过调节两相的流速,待流型稳定5min后,用高速摄像仪采集各工况下的不同流型。

图2实验系统 

2实验系统

图3两种实验方案 

3两种实验方案

2实验结果与讨论

赵建福等对内径12.7mm的90°弯管进行了空气、水两相流型的研究,结果发现了弹状流、弹/环过渡流、环状流3种流型,并指出弯管内二次流作用以及气泡、气核的出现使得流谱由单相流的Dean双涡结构改为螺旋结构。柴磊等[12]对长10mm的扇形凹穴型、三角凹穴型两种周期性扩缩微通道内的气液两相流型进行了考察,发现的主要流型有间歇流以及分离流。Kawahara等以氮气、水为工质,在直径100μm的圆形通道中主要观测到一些过渡流型,实验中并没有