大深寬比雙T形微通道內(nèi)液-液兩相流可視化研究

屈健，王謙，韓新月，何志霞，邵霞

（江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

大深寬比雙T形微通道內(nèi)液-液兩相流可視化研究

屈健，王謙，韓新月，何志霞，邵霞

（江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

通過高速攝像對水力直徑0.176mm、深寬比2.4的雙T形矩形微通道內(nèi)的液-液兩相流動進行了可視化實驗研究。改變連續(xù)相（硅油）和分散相（水）的流量比，記錄分析了微通道不同部位油-水兩相流的流型和流型發(fā)展演化情況。實驗結(jié)果表明，在微通道上游T形部位的油-水兩相流型主要包括滴狀流、彈狀流、波平行流和平行流；在微通道的中間部位，繪制了基于水和硅油量綱為1韋伯數(shù)的流型圖，并將其與相關(guān)文獻進行了比較。同時，發(fā)現(xiàn)微通道內(nèi)液塞及液滴的長度（量綱為1）與油/水流量比之間存在線性關(guān)系，液塞/液滴速度比兩相混合物表觀速度大，建立了能夠準確描述液塞/液滴運動速度的實驗擬合公式。最后，研究了液滴在微通道下游T形部位的行為，觀察到斷裂和不斷裂兩種模式并進行了分析，給出了劃分斷裂與否的流型圖。

微通道；可視化；液-液兩相流；流型

自20世紀90年代初提出微化工技術(shù)以來，作為其核心的微反應(yīng)器因熱質(zhì)傳遞效率高、返混概率小以及能夠更好地控制反應(yīng)溫度和停留時間等優(yōu)點，在化工、生物和材料等相關(guān)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1]。具體而言，微反應(yīng)器一般是指通過精密微細加工技術(shù)制造的帶有微通道結(jié)構(gòu)的反應(yīng)設(shè)備，而微通道氣-液兩相流和液-液兩相流也因此成為其研究應(yīng)用的基礎(chǔ)[2]。

目前，與微反應(yīng)器有關(guān)的微通道兩相流實驗和數(shù)值模擬研究主要集中于氣-液兩相流方面，而液-液（不相溶）兩相流研究則開展的相對較少。與氣-液兩相流相似，由于兩相界面行為直接決定界面積的大小，并由此對兩相體系的流動、傳質(zhì)和反應(yīng)過程產(chǎn)生重要影響，使流型研究成為液-液兩相流微反應(yīng)器研究的重要方面[3-4]。

當前，微通道液-液兩相流大都以微液滴形成[5-9]，并針對若干具體流型研究[10-11]為主，而對不同分散相-連續(xù)相流量比情況下可能出現(xiàn)的不同流型以及流型圖的相關(guān)研究還比較有限。同時，對微通道液-液兩相流實驗研究的相關(guān)文獻[12-19]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，所選通道的深寬比普遍較?。ㄒ话阈∮?），尚缺乏對較大深寬比通道的研究，而通道深寬比對流型存在明顯的影響[14]，因此有必要對其開展具體研究，以完善不同深寬比尺度對微通道內(nèi)液-液兩相流流型和流型轉(zhuǎn)變特征的認識。

本文以大深寬比雙T形微通道為對象，對其開展油-水兩相流可視化實驗研究，獲得了微通道不同部位的油-水兩相流型和流型發(fā)展演化情況，建立了描述液塞及液滴長度、運動速度和斷裂與否的實驗關(guān)聯(lián)式，以期能夠為認識微通道液-液兩相流流型演化規(guī)律、揭示流型轉(zhuǎn)變機理提供一定參考。

1 實驗裝置及介紹

1.1 微通道結(jié)構(gòu)

利用MEMS軟光刻技術(shù)，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上?？坛鲭pT形矩形微槽道。然后，以玻璃為基底材料，將帶微槽道的PDMS和玻璃通過氧等離子反應(yīng)鍵合為一體，形成寬度和深度分別為0.125mm和0.3mm的微通道（水力直徑0.176mm，深寬比2.4）。整個雙T形微通道結(jié)構(gòu)包括入口和出口兩個T形通道，尺寸大小如圖1所示。

1.2 實驗系統(tǒng)

圖1 雙T形微通道的結(jié)構(gòu)

如圖2(a)所示，實驗系統(tǒng)主要包括流體控制和圖像采集兩部分。在流體控制部分，利用恒流注射泵（蘭格恒流泵，型號LSP02-1B）驅(qū)動不相溶的水和硅油（道康寧）進入實驗測試段[圖2(b)]，兩者的流速可進行調(diào)節(jié)。微通道進、出口及注射器之間用毛細管連接，為防止?jié)B漏，在連接處用膠進行密封。圖2(a)中，水和硅油分別從左側(cè)的兩個入口進入微通道，兩相混合物則從右側(cè)兩個出口流出（圖1），并用容器進行收集。微通道入口處設(shè)置了過濾器，以防止雜質(zhì)對其造成堵塞。在圖像采集部分，通過與計算機連接的高速CCD相機（Motion Pro X4）及倒置顯微鏡（Olympus 1X71）對微通道內(nèi)的油-水兩相流動進行連續(xù)觀察和拍攝。同時，圖像采集過程中使用了20W的顯微鏡專用雙光纖冷光源，以提供連續(xù)、均勻的光照。實驗工作環(huán)境溫度為(25±1)℃。

圖2 實驗測試系統(tǒng)

鑒于PDMS具有疏水親油的特性，實驗中分散相液體為水，而連續(xù)相液體則為硅油，兩者物性如表1所示。為降低硅油和水之間的界面張力，在硅油中添加了質(zhì)量分數(shù)為2%的表面活性劑BRB6373，通過界面張力測試儀（CM20，芬蘭KSV公司）測量確定兩者的界面張力為8.92mN/m（25℃）。

表1 25℃時水和硅油的物性（101325Pa）

2 實驗結(jié)果

2.1 微通道上游T形部位流型

如圖3所示，在本實驗流量范圍內(nèi)，微通道的上游T形入口處主要觀察到滴狀流、彈狀流、波平行流和平行流4種流型。以上流型的出現(xiàn)不僅與連續(xù)相（硅油）和離散相（水）的流量大小有關(guān)，還受油/水流量比的影響。

圖3 微通道上游T形部位的流型

當流量比足夠大時（通常超過15），可形成如圖3(a)所示的滴狀流，此時硅油的表觀速度遠大于水，對應(yīng)的毛細數(shù)較大，黏性力對流動起支配作用，因此水相未能充分進入T形入口下游通道，在緊貼通道壁面的一側(cè)可形成細長的“頸部”，并在剪切力的作用下被拉斷，形成液滴。隨著水相流速的增大或者油相流速的減小，流型將由滴狀流演變?yōu)閺棤盍鱗圖3(b)]，彈狀液塞長度隨著流量比的減小而增大。與滴狀流相比，雖然此時的流量比明顯減小，但油相和水相的流速還比較低，如果繼續(xù)減小流量比，并逐漸增大兩者的流速，則將演化為波平行流[見圖3(c)]或平行流[圖3(d)]。在T形入口處，波平行流可視為彈狀流和平行流之間的過渡流型，隨著水相和油相往下游流動發(fā)展，兩相界面的波動不穩(wěn)定性將越來越大，水相頭部最終會在下游的某個位置斷裂為液塞，隨即發(fā)展為彈狀流，呈現(xiàn)出波平行流和彈狀流共存的狀態(tài)。如果水相和油相流速接近，且兩者足夠大，則將發(fā)展為平行流。但在下游位置，隨著兩相流動不穩(wěn)定性的增強，平行流又將轉(zhuǎn)為波平行流，難以形成穩(wěn)定的平行流。對于波平行流和平行流，形成條件要求兩者的流速比較大，這與朱春英等[19]的報道有所不同，可能是微通道深寬比不同引起的。在本研究中，微通道深寬比為2.4，但在朱春英等[19]的研究中僅為0.4，表明微通道深寬比對油-水兩相流流型存在較大影響。

除以上4種流型外，本實驗中并未觀察到如文獻[12]中所述的液滴群流和不規(guī)則薄條紋流，這顯然與所用油相工質(zhì)種類及通道結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。

2.2 微通道中間部位流型

2.2.1 流型圖

作為描述氣-液或液-液兩相流中慣性力和表面張力效應(yīng)之比的韋伯數(shù)（Webber number），通常被視為反映兩相界面運動的重要參數(shù)，并用于劃分流區(qū)和預測流型[20]。水相和油相的韋伯數(shù)可分別定義為式（1）、式（2）。

式中，jw和jo分別表示水相和油相在微通道內(nèi)的表觀速度，即式（3）、式（4）。

式中，A為通道橫截面積；Qw和Qo則分別表示水相和油相的單位時間體積流量。

圖4 中間通道部位油-水兩相流流型圖

圖4是根據(jù)油-水兩相流型變化特征繪制的基于水和硅油量綱為1韋伯數(shù)的流型圖。從圖4中可以看出，滴狀流和彈狀流在整個實驗范圍內(nèi)占主體；而在彈狀流和波平行流之間，往往還伴隨著兩種流型共存的過渡區(qū)，這與上游T形部位的流型相一致。將圖4與Zhao等[12]與Guillot等[14]的研究結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，圖4與Guillot等[14]的實驗結(jié)果更為接近，主要是由于通道截面尺寸明顯比Zhao等[12]的小、兩相流動行為受界面張力影響更大引起的。由觀察發(fā)現(xiàn)，本研究中波平行流通常發(fā)生在水相速度較大的情況下，并且相當穩(wěn)定，不會轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆钠叫辛?，這主要可能是因下游處的T形交錯結(jié)構(gòu)引起的。下游的T形結(jié)構(gòu)出口對油-水兩相流動會產(chǎn)生阻礙作用，分流引起流動的不穩(wěn)定性增強，導致平行流向波平行流轉(zhuǎn)變。局部的平行流通常出現(xiàn)在波平行流的上游部位，由于波平行流在通道范圍內(nèi)占主體，因此本文將其兩者統(tǒng)一用波平行流表示。由于微通道內(nèi)彈狀流和滴狀流（這里統(tǒng)稱液滴流）是液-液兩相流微反應(yīng)器的基本流型，對反應(yīng)器的熱質(zhì)傳遞效果和整體工作性能具有重要影響，下節(jié)的內(nèi)容也將圍繞其展開。

2.2.2 液塞及液滴的長度和運動速度

通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，彈狀液塞或液滴長度與水/油兩相流量比之間存在著明顯的比例關(guān)系，對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學擬合可得兩者的實驗關(guān)聯(lián)式。圖5比較了不同水/油流量比情況下由實驗測得量綱為1的液塞及液滴長度和擬合值（實線和虛線分別對應(yīng)液塞和液滴）之間的關(guān)系大小。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，兩種情況下擬合值與實驗值之間均吻合良好，能夠較準確地反映流量比對液塞及液滴長度的影響程度，同時也說明兩者之間遵循著良好的線性關(guān)系。

圖5 液塞及液滴長度（量綱為1）實驗值和擬合結(jié)果的比較

圖6 液塞及液滴運動測量速度與兩相表觀速度的比較

圖6給出了液塞及液滴運動測量速度和兩相混合物表觀速度（簡稱兩相表觀速度）之間的大小關(guān)系，其中后者可由水相和油相的表觀速度之和表示[21]（即TPwoU=j+j），液塞/液滴運動測量速度（Um）則可借助像素尺工具軟件對由高速相機拍攝的圖片進行計算處理后獲得。從圖6中可以看出，液滴的運動速度大于兩相表觀速度，根據(jù)圖6中的Um和UTP數(shù)據(jù)，可擬合得到表示兩者大小關(guān)系的表達式（5）。

式中，Cao=μoUTP/γ為油相毛細數(shù)。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，由式（5）得到的預測曲線與實驗數(shù)據(jù)之間吻合的非常好，該擬合表達式能夠準確有效地預測通道內(nèi)的液塞/液滴速度。

2.3 微通道下游T形部位流型

圖7 下游T形出口處的流型

在微通道的下游T形部位，油-水兩相流動向兩側(cè)發(fā)生分流，與微通道上游和中間部位的流型相對應(yīng)，可形成如圖7所示的3種不同流型：滴狀流、彈狀流和波平行流。實驗觀察發(fā)現(xiàn)，液滴流（滴狀流和彈狀流的統(tǒng)稱）中的液滴在進入T形交錯結(jié)構(gòu)底部后會呈現(xiàn)出兩種基本的運動行為方式，即斷裂（breaking）和不斷裂（no-breaking），這與類似結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)的氣-液兩相流流動行為完全相似。在T形交錯處，液滴因受到微通道上游主流流體剪切力的作用而發(fā)生變形并向兩側(cè)伸展，當流動剪切力大于表面張力時，液滴可掙脫其束縛而發(fā)生斷裂，若流動剪切力不足以使液滴掙脫表面張力的束縛而發(fā)生斷裂，則通常會交替流向兩側(cè)。

圖8 下游T形出口液滴斷裂流型圖

3 結(jié) 論

（1）在微通道上游T形結(jié)構(gòu)處，通過改變油/水流量比可分別觀察到滴狀流、彈狀流、波平行流和平行流4種流型。

（2）獲得了微通道中間部位油-水兩相流的流型圖，發(fā)現(xiàn)整個實驗范圍內(nèi)以彈狀流和滴狀流為主，在彈狀流和波平行流之間還伴隨有兩者共存的過渡區(qū)。

（3）在微通道中間部位，發(fā)現(xiàn)由水/油兩相流量比可確定液塞及液滴長度（量綱為1），兩者之間呈線性關(guān)系。同時，發(fā)現(xiàn)液塞/液滴的運動速度比兩相混合物表觀速度大，隨著兩相表觀速度的增大，兩者的偏差程度呈增大趨勢；建立了預測液塞及液滴運動速度的實驗擬合公式，擬合值與實驗值之間吻合較好。

（4）在微通道下游T形部位觀察到滴狀流、彈狀流和波平行流3種流型。同時，建立了液滴斷裂與否的流型圖，發(fā)現(xiàn)Leshansky與Pismen推薦的臨界毛細數(shù)關(guān)系式[6]能夠很好地界定液滴斷裂或不斷裂區(qū)域，可作為液滴在通過大深寬比微通道T形結(jié)構(gòu)時斷裂與否的判斷依據(jù)。

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Flow visualization of liquid-liquid two-phase flow in a double T-type microchannel with large aspect ratio

QU Jian，WANG Qian，HAN Xinyue，HE Zhixia，SHAO Xia
（School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China）

High speed digital camera was employed to investigate the liquid-liquid two-phase flow behavior in a double T-type microchannel with a rectangular cross-section， a hydraulic diameter of 0.176mm and an aspect ratio of 2.4. By changing the volumetric flow ratios of silicon oil （continuous phase） and water （dispersed phase），the two-phase flow pattern as well as the flow evolvement process were recorded and analyzed. At the upstream T-junction of the microchannel，the droplet，slug，wavy parallel，and parallel flow were observed. At the middle zone of the microchannel，a flow pattern map was presented on the basis of Weber numbers of water and oil. In addition，linear relationships between the dimensionless length of slug/droplet and water/oil flow ratios were established. Also，it was found that the velocity of slug/droplet was larger than the two-phase mixture superficial velocity，and a correlation for well predicting the velocity of slug/droplet was developed. Finally，droplet behaviors at the downstream T-junction of the microchannel were investigated，and two different flow modes，breaking and non-breaking were observed and analyzed. Corresponding two different regimes of breakup were singled out as well.

microchannel；visualization；liquid-liquid two-phase flow；flow pattern

TK124

A

1000-6613（2014）10-2583-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.011

2014-03-31；修改稿日期：2014-05-14。

國家自然科學基金（51206065）、江蘇省自然科學基金青年基金（BK2012291）及中國博士后基金（2013M540419）項目。

及聯(lián)系人：屈?。?980—），男，博士，副教授。E-mail rjqu@ mail.ujs.edu.cn。