T型微通道內(nèi)兩相流流型及相分離特性

周云龍，劉 博，劉 袖，尚 達(dá)

（1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

T型微通道內(nèi)兩相流流型及相分離特性

周云龍1，劉 博1，劉 袖1，尚 達(dá)2

（1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

以氮?dú)夂退疄楣ぷ髁黧w，在矩形截面為100 μm×800 μm的T型微通道內(nèi)進(jìn)行了氣液兩相流可視化實(shí)驗(yàn)，觀(guān)測(cè)到彈狀流、彈狀-液環(huán)流、環(huán)狀流、分層流和攪拌流，得到了流型圖和流型轉(zhuǎn)換界限。通過(guò)對(duì)比對(duì)彈狀流、環(huán)狀流和分層流相分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明在T型微通道內(nèi)氣液兩相流相分離特性受上游流型影響。上游流型為彈狀流時(shí)，氣體優(yōu)先從側(cè)支管采出；上游流型為環(huán)狀流時(shí)，液體優(yōu)先從側(cè)支管采出；上游流型為分層流時(shí)，氣體只從其中一條支管中采出。當(dāng)流型一定時(shí)，液相采出分率隨著入口液體速率增加而減小，而氣體速率變化對(duì)液相采出分率影響不大。

T型微通道 氣液兩相流 流型 相分離

T型微通道作為一種特殊形式的微型管道，廣泛應(yīng)用于電子冷卻、化工工藝、基因工程等領(lǐng)域。隨著微型管道內(nèi)兩相流技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)微型管道的兩相流特性研究愈加受到重視。氣液兩相流經(jīng)過(guò)T型三通時(shí)，液體和氣體會(huì)選擇各自的優(yōu)先路徑，兩條支管（側(cè)支管和直通支管）的干度會(huì)出現(xiàn)明顯差異，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為偏流現(xiàn)象或相分離。一方面，T型管作為換熱器分配元件，出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，會(huì)使支管路中缺少液體，導(dǎo)致傳熱惡化，嚴(yán)重影響下游設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至損毀設(shè)備；另一方面，可以利用T型管的相分離特性，實(shí)現(xiàn)氣液兩相流中氣體和液體的初步分離[1-4]。因此，對(duì)T型管相分離特性的研究十分重要。到目前為止，管徑大于5 mm的常規(guī)T型管兩相流相分離特性研究比較多。Hong等[5]對(duì)石油輸送管網(wǎng)內(nèi)的T型三通進(jìn)行了相分離實(shí)驗(yàn)研究；Ballyk等[6,7]分別用蒸汽水系和空氣水系對(duì)水平T型三通的相分離特性與壓力損失進(jìn)行了研究，而Hwang[8]則在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了理論模型，這一模型后來(lái)被很多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)微通道內(nèi)氣液兩相流相分離特性的研究不多，只有Azzi等[9]對(duì)管徑為1 mm的T型微通道內(nèi)彈狀流相分離進(jìn)行了研究，并沒(méi)有對(duì)其他流型相分離行為進(jìn)行探討。本實(shí)驗(yàn)利用高速攝影儀，通過(guò)可視化手段對(duì)微米級(jí)T型微通道內(nèi)氣液兩相流流型進(jìn)行界定，繪制流型轉(zhuǎn)換圖，并對(duì)不同流型的相分離特性進(jìn)行分析對(duì)比，以期通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析流型對(duì)氣液兩相流在T型管內(nèi)分離的影響，為合理設(shè)計(jì)微型換熱器的氣液流動(dòng)分布結(jié)構(gòu)，保證微通道內(nèi)優(yōu)異的傳熱傳質(zhì)特性提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

所用的T型微通道如圖1所示。通道截面為矩形（100 μm×800 μm），氣液兩相進(jìn)口段為10 mm，混合段為20 mm（由于通道截面的當(dāng)量直徑為0.178 mm，與混合段的長(zhǎng)度距離很大，可以使氣液兩相混合均勻），主支管與側(cè)支管為 10 mm。實(shí)驗(yàn)所用微通道注射泵由北京善德仕醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為SDS-MP09（速率精度±3%）。支管液體流量采用上海精天FA2004A電子天平（精度為0.1 mg）測(cè)量，氣體流量由D-600MD數(shù)字型質(zhì)量流量計(jì)（精確度±1%）測(cè)量。高速攝影機(jī)的最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻達(dá)到每秒10 000幀，可以清晰地抓拍到微通道內(nèi)氣液兩相流瞬間行為，并記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)采用的玻璃微通道由浙江大學(xué)微分析實(shí)驗(yàn)室制作。

圖1 T型微通道Fig.1 sketch map of micro-T-junction

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.2 Schematic diagram of experiment apparatus

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在常壓室溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。氣體與液體分別由注射泵注入到微通道內(nèi)。在微通道內(nèi)，氣體和液體經(jīng)過(guò)20 mm混合通道后在T形處重新分配。此過(guò)程用高速攝像機(jī)記錄并采集流型。完成一次實(shí)驗(yàn)后再逐漸增加液體與氣體流量，重復(fù)上述過(guò)程，最后繪制出流型轉(zhuǎn)換圖。

根據(jù)之前實(shí)驗(yàn)繪制出的流型轉(zhuǎn)換圖選取不同流型所要測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行氣液兩相流相分離實(shí)驗(yàn)。兩相流在T形處重新分配后經(jīng)過(guò)支管進(jìn)入氣液分離器，進(jìn)行氣液分離。用高精度天平測(cè)分離后的液體速率（在3 min內(nèi)測(cè)其總質(zhì)量），氣體速率由D-600MD數(shù)字型質(zhì)量流量計(jì)（精確度±1%）測(cè)量，并由Azzi等[9]設(shè)計(jì)的氣泡流量計(jì)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)。進(jìn)口氣體流量與出口氣體流量相差9%以?xún)?nèi)認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，進(jìn)口液體流量與出口液體流量相差5%的數(shù)據(jù)認(rèn)為有效。

2 結(jié)果和討論

2.1 T型微通道內(nèi)上游兩相流動(dòng)典型流型

與常規(guī)管道相比，目前還沒(méi)有普適性的流型圖和流型轉(zhuǎn)換界限識(shí)別微通道內(nèi)兩相流流型，所以首先要繪制出與本實(shí)驗(yàn)條件相符的流型圖和流型轉(zhuǎn)換界限。在折算液速（jG）為0.01～0.5 m/s，折算氣速（jL）為0.1～5 m/s采集到彈狀流、彈狀環(huán)狀流、分層流、環(huán)狀流和攪拌流流型圖像，如圖3所示。

圖3 氣液兩相流典型流型Fig.3 Typical two-phase flow patterns

以氣相折算速率為縱坐標(biāo)軸，以液相折算速率為橫坐標(biāo)軸，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得流型圖及其轉(zhuǎn)換界限如圖4所示。由圖4可以看出，彈狀流、彈狀環(huán)狀流、環(huán)狀流所占流型圖比例較大，分層流所占比例較小?！啊酢北硎具M(jìn)行相分離實(shí)驗(yàn)所選擇的數(shù)據(jù)點(diǎn)，把這些數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)注在流型轉(zhuǎn)換圖上，確認(rèn)該實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的流型。

圖4 流型圖及流型轉(zhuǎn)變界限Fig.4 Flow regime map and flow regime transition criteria

2.2 彈狀流相分離

以氣相采出分率（側(cè)支管出來(lái)的氣體質(zhì)量流量與進(jìn)入主管氣體的質(zhì)量流量之比）為橫坐標(biāo)，液相采出分率（側(cè)支管出來(lái)的液體質(zhì)量流量與進(jìn)入主管液體質(zhì)量流量之比）為縱坐標(biāo)，整理數(shù)據(jù)得到相分離特性曲線(xiàn)圖，如圖5所示。對(duì)角線(xiàn)為兩相均勻分布線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)越接近兩相均勻分布線(xiàn)，分配效果越好；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)越遠(yuǎn)離兩相均勻分布線(xiàn)，分配效果越差。當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于頂點(diǎn)（1, 0）或者（0, 1）時(shí)，達(dá)到完全分離。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在對(duì)角線(xiàn)下方表示氣相在支管中優(yōu)先采出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在對(duì)角線(xiàn)上方表示液相在支管中優(yōu)先采出。

圖5 液體速率對(duì)彈狀流相分離的影響Fig.5 Effects of liquid velocity on phase split of slug flow

圖6 氣體速率對(duì)彈狀流相分離的影響Fig.6 Effects of gas velocity on phase split of slug flow

由圖5可以看出，氣體折算速率為0.5 m/s時(shí)，液相采出分率隨著液體折算速率增加而降低。由圖6可以看到，液體折算速率為0.16 m/s時(shí)，液相采出分率隨著氣體折算速率的增加沒(méi)有發(fā)生明顯變化。從圖5和圖6可以看到，數(shù)據(jù)主要在兩相均勻分布線(xiàn)以下，說(shuō)明彈狀流的氣體優(yōu)先在支管中采出。

2.3 環(huán)狀流相分離

由圖7可以看到，氣體折算速率為4 m/s時(shí)，液相采出分率隨液體速率的增加而降低。

圖7 液體速率對(duì)環(huán)狀流相分離的影響Fig.7 Effects of liquid velocity on phase split of annular flow

圖8 氣體速率對(duì)環(huán)狀流相分離的影響Fig.8 Effects of gas velocity on phase split of annular flow

由圖8可以看到，液體折算速率為0.16 m/s時(shí)，液相采出分率沒(méi)有因?yàn)闅怏w速率的變化而發(fā)生明顯改變。從圖7和圖8可以看出，數(shù)據(jù)主要在兩相均勻分布線(xiàn)以上，說(shuō)明環(huán)狀流的液相優(yōu)先在支管中采出。

2.4 分層流相分離

目前為止，微通道分層流的研究很少。在本實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到了穩(wěn)定的分層流型，氣液兩相有著清晰而平坦的界面，界面波動(dòng)幅度不大，波動(dòng)頻率較低，但是從圖4看到分層流存在的范圍界限很小。Biswas等[10]認(rèn)為微通道中分層流的出現(xiàn)是由表面張力引起的。氣體層在微通道內(nèi)靠近氣體入口側(cè)壁面流動(dòng)，液體層在微通道內(nèi)靠近液體入口側(cè)壁面流動(dòng)，且在T形處，氣體只從其中一條支管中采出（如圖9所示）。圖9中a圖的氣體層在微通道左側(cè)，氣相采出分率接近100%；圖9中b圖的氣體層在微通道右側(cè)，氣相采出分率約為0%。這與5[11]，76[12]和10 mm[13]的T型管分層流相分離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大區(qū)別（如圖10所示）。這是因?yàn)槲⑼ǖ纼?nèi)的氣液兩相流的特征與宏觀(guān)大尺寸通道有很大差別，微通道兩相流特征受表面張力、潤(rùn)濕性、混合方式等影響顯著，而宏觀(guān)大尺寸主要受重力和慣性力影響。

圖9 分層流Fig.9 The stratified gas-liquid flow

圖10 不同管徑中的相分離數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.10 Comparison of phase split data from different diameters

2.5 兩種典型流型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.5.1 相似之處

通過(guò)分析彈狀流和環(huán)狀流的相分離特性，發(fā)現(xiàn)兩種流型的液相采出分率隨著液體速率增加而減小，氣體速率變化對(duì)液相采出分率影響不大。當(dāng)液體速率減小時(shí)，彈狀流的液體動(dòng)能（ρu2，ρ為流體密度，u為流體速度）隨液體速率下降得更多，所以會(huì)有更多的液體在支管中采出。當(dāng)環(huán)狀流液體速率降低時(shí)，環(huán)狀流的液膜厚度增加，致使液相采出分率變大。

氣體速率變化對(duì)液相采出分率影響不大這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Stacey[14]所做的小管徑T型通道（5 mm）氣液兩相流相分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，與Azzopardi[15]所做的大管徑氣液兩相流相分離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同（Azzopardi的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為液相采出分率隨著氣體速率降低而增加）。Azzopardi認(rèn)為降低進(jìn)口氣體速率會(huì)減少氣體攜帶液體的量，進(jìn)而增加了液膜厚度，使液相采出分率增加。然而，本實(shí)驗(yàn)是在微通道環(huán)境下進(jìn)行的，通道狹窄，氣體中攜帶液體量很小，即便是改變了氣體速率，氣體攜帶液體量變化也不大，液相采出分率基本不變。

2.5.2 不同之處

圖11為液體折算速率為0.16 m/s時(shí)，不同氣體折算速率下相分離特性對(duì)比圖。由圖可以看出，彈狀流的數(shù)據(jù)主要集中在兩相均勻分布線(xiàn)下方，說(shuō)明彈狀流的氣相優(yōu)先在支管中采出。因?yàn)閮上嗔髁餍蜑閺棤盍鲿r(shí)，微通道內(nèi)液體速率和氣體速率幾乎相等，如圖 12（a）。在這種狀態(tài)下，液體比氣體具有更大的動(dòng)能，因此有更多的氣體流入支管。彈狀流的液相采出分率范圍為0.1～0.9，這主要是因?yàn)閺棤盍鞯臍鈴幒鸵褐嚅g向前流動(dòng)，脈動(dòng)性強(qiáng)，流動(dòng)不穩(wěn)定。

圖11 兩種典型流型相分離特性對(duì)比Fig.11 Comparison of phase split of two typical flow patterns

圖12 在T型處三種典型流型Fig.12 Three typical flow patterns at T-junction

從圖11中看出，環(huán)狀流數(shù)據(jù)主要集中在兩相均勻分布線(xiàn)上方，說(shuō)明環(huán)狀流的液體優(yōu)先在支管中采出。這是由于環(huán)狀流的氣體速率比液體速率大很多，具有很高的動(dòng)能，氣體趨于從主支管采出，而液體趨于從側(cè)支管中采出。另外環(huán)狀流液體均勻地分布在管壁上，形成了一層液膜，如圖12（b）所示，當(dāng)液膜在T形處失去了管壁支撐，液體很容易進(jìn)入支管當(dāng)中。環(huán)狀流的液相采出分率主要集中在0.30～0.65。這是因?yàn)榄h(huán)狀流流動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，所以流入支管當(dāng)中的液體也相對(duì)穩(wěn)定，液體采出量也相對(duì)集中。值得注意的是，彈狀環(huán)狀流作為彈狀流和環(huán)狀流的過(guò)渡流型，相分離特性也表現(xiàn)出其相對(duì)的過(guò)渡特性，如圖12（c）。

3 結(jié) 論

通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)手段獲得典型流型圖像，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了矩形微通道內(nèi)兩相流的流型轉(zhuǎn)換圖；對(duì)彈狀流、環(huán)狀流和分層流三種典型流型的相分離特性進(jìn)行了具體研究，得到以下結(jié)論：

a）T型微通道內(nèi)的相分離特性受上游兩相流流型影響。彈狀流氣相優(yōu)先在支管中采出，而環(huán)狀流的液相優(yōu)先在支管中采出。

b）當(dāng)流型一定時(shí)，液相采出分率隨著液體的速率增加而減小，而氣體的速率對(duì)液相采出分率影響不大。

c）當(dāng)分層流出現(xiàn)時(shí)，氣體完全偏流向其中一條支管。工程中可以通過(guò)控制氣體和液體的速率，避免分層流出現(xiàn)。

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Flow Patterns and Phase Splitting of Two-Phase Flow in a Micro-T-Junction

Zhou Yunlong1, Liu Bo1, Liu Xiu1, Shang Da2
(1. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China;2. Jilin Electric Power Research Institute Company Limited, Changchun 130000, Jilin Province, China）

With nitrogen gas and water as working fluid, visualization experiments was carried out to study the characteristics of the two-phase flow in a micro-T-junction with a micro-channel cross section of 100 μm×800 μm.Slug flow, slug-annular flow, annular flow, stratified flow and churn flow were observed, and the flow pattern map and flow pattern transition boundaries were obtained. By comparing the results of slug, annular and stratified flow, it was showm that the phase splitting characteristics of the two-phase flow in a micro-T-junction was highly dependent on the inlet flow pattern. When the inlet flow was slug, the gas preferentially entered the side branch;when the inlet flow was annular, the liquid preferentially entered the side branch; when the inlet flow was stratified, the gas completely entered to one branch. The effect of velocity on the phase splitting for all flow patterns was: the liquid taken off decreased with the increase of liquid flow rate, and there was very little effect of the inlet gas flow rate on the liquid take off.

micro-T-junction; gas-liquid two-phase flow; flow pattern; phase splitting

O359.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1001—7631 ( 2012 ) 04—0300—06

2012-08-04；

2012-08-10

周云龍（1960—），男，博士，教授。E-mail: ylzhou@mail.nedu.edu.cn