三支管平行微通道內(nèi)氣液兩相流相分配特性實驗研究

周密　汪雙鳳

摘 要：微通道的集成和放大對于微型反應(yīng)器及散熱器的開發(fā)具有重要意義。文章以高純度氮氣和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的SDS水溶液分別作為氣相和液相工質(zhì)，通過一系列可視化實驗，研究了入口流型為彈狀流和環(huán)狀流時，在擁有一個主管（水力直徑為0.6mm）與3個平行側(cè)支管（水力直徑為0.4mm）的平行微通道內(nèi)氣液兩相流的相分配特性。實驗結(jié)果表明，側(cè)支管的相分配特性與入口流型密切相關(guān)。當(dāng)入口流型為彈狀流時，氣相富集于中間的側(cè)支管。當(dāng)入口流型為環(huán)狀流時，第一個支管中始終走液相，氣液兩相在后面兩個支管中的分配則相對均勻。

關(guān)鍵詞：相分配；氣液兩相流；平行微通道

引言

近年來，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，在直徑為微米級的槽道上開展流體實驗的研究層見疊出。與常規(guī)尺度的流體流動相比，微流體技術(shù)具有它獨特的學(xué)術(shù)價值與應(yīng)用前景。比如，微通道一般具有比常規(guī)尺度高兩個數(shù)量級以上的比表面積，因此使得流體的傳熱、傳質(zhì)能力大大增強(qiáng)[1]。作為一種結(jié)構(gòu)簡單易加工的微通道結(jié)構(gòu)，封頭-平行流支管被廣泛應(yīng)用于各種微型換熱器及反應(yīng)器中。然而，當(dāng)氣液兩相流體從入口封頭流經(jīng)各個平行支通道時，各支通道中氣液兩相的不均勻分配會嚴(yán)重影響裝置的性能。比如，對于換熱器，流量分配不均將給蒸發(fā)器和冷凝器帶來局部過熱或過冷的問題[2]，對于反應(yīng)器，反應(yīng)物的不均勻分配將會影響出口的反應(yīng)產(chǎn)物[3]。因此，研究氣液兩相流在平行微通道內(nèi)的流動現(xiàn)象具有重要意義。

迄今為止，有關(guān)單個T型微通道內(nèi)氣液兩相流相分配的實驗及理論研究，中外學(xué)者已發(fā)表了不少論文[4-7]。Wang等[4]在水力直徑為0.5mm的水平T型三通內(nèi)實驗研究了氮氣-水兩相體系的彈狀流相分配特性。He等[5]在水力直徑為0.5mm的水平T型微通道內(nèi)實驗研究了入口流型對氮氣-水兩相相分配的影響，實驗發(fā)現(xiàn)，入口流型對側(cè)支管的相分配現(xiàn)象有著顯著影響。Azzi等[6]實驗研究了水力直徑為1mm的T型三通內(nèi)空氣-水兩相流的相分配特性。研究表明，側(cè)支管液相采出分率受氣液兩相入口表觀速率的影響，隨著進(jìn)口液相速率的增加，側(cè)支管液相采出分率降低。然而，有關(guān)平行微通道內(nèi)氣液兩相流相分配的實驗研究則還未見有文獻(xiàn)報道，因此，文章對彈狀流和環(huán)狀流在擁有一個主管（水力直徑為0.6mm）和三個側(cè)支管（水力直徑為0.4mm）的平行微通道內(nèi)的相分配特性進(jìn)行了實驗研究。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 實驗系統(tǒng)

本實驗系統(tǒng)由氣液混合區(qū)、壓力測試區(qū)、兩相流可視化區(qū)、氣液分離測量區(qū)四部分組成，如圖1所示。

1.2 實驗方法

實驗在大氣壓及常溫（26℃）下進(jìn)行，實驗過程中，微通道水平置于顯微鏡載物臺上，氣相由高壓氮氣瓶提供，經(jīng)質(zhì)量流量計控制輸出后進(jìn)入雙T型混合器，液相由微型注射泵A、B控制輸出后與高純度氮氣混合進(jìn)入試驗段。氣液兩相混合后在主管進(jìn)口處重新分配進(jìn)入下游支管，氣液分離器出口的液體用電子天平實時測量，測量結(jié)果取小數(shù)點后四位，通過測量一定時間內(nèi)液體的增量來計算液相流率。實驗用秒表計時，實驗結(jié)果為一段時間內(nèi)的平均值。實驗分離后的三個支管出口的氣體分別進(jìn)入三個皂膜流量計，推動氣泡垂直上升，通過測定一段時間內(nèi)氣泡上升的高度（體積），得出各支管出口的氣相體積流率。

1.3 實驗流體

實驗以高純度氮氣及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的SDS（十二烷基硫酸鈉）水溶液作為氣相和液相工質(zhì)。SDS水溶液在實驗條件下的物性參數(shù)如表1所示。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 入口流型觀察

實驗利用高速攝影儀拍攝到了彈狀流和環(huán)狀流兩種穩(wěn)定流型，如圖2所示。每種流型分別選取5個實驗點，為確定不同兩相進(jìn)口速率下的流型，所選實驗點分別被標(biāo)注到Chung P M和Kawaji M繪制的流型圖3上。圖中的圓形標(biāo)出了本實驗中的實驗點。

2.2 氣液兩相進(jìn)口速率對相分配的影響

2.2.1彈狀流實驗結(jié)果

實驗選取5組數(shù)據(jù)點（0.723，0.134）、（0.723，0.268）、（0.723，0.40

2）、（1.526，0.268）、（2.249，0.268）單位：m/s，其中橫縱坐標(biāo)分別代表進(jìn)口氣、液相表觀流率。

實驗過程中，分別固定進(jìn)口氣（液）相表觀速率，通過改變進(jìn)口液（氣）相速率，考察不同進(jìn)口兩相流率下的相分配狀況，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制得到的相分配曲線如圖4、5所示。圖中的橫坐標(biāo)表示支管序數(shù)，縱坐標(biāo)分別表示從該支管抽出的氣（液）相質(zhì)量流量占入口氣（液）相質(zhì)量流量之比。

圖4顯示的是氣相進(jìn)口速率對各側(cè)支管相分配的影響。由圖可知，當(dāng)入口流型為彈狀流時，第一個側(cè)支管只走液體，并且80%以上的液體始終富集于兩側(cè)的支管，隨著氣相進(jìn)口速率的增加，更多液相進(jìn)入第一個支管。對于氣相而言，則始終是第二個支管富集，隨著進(jìn)口氣相表觀速率的增加，第二個支管中的氣相富集程度明顯降低。

液相進(jìn)口速率對相分配的影響效果如圖5所示。由圖可知，氣相進(jìn)口速率一定，隨著液相速率的增加，更多氣相進(jìn)入第二個支管，而更多液相走最后一個支管，這與固定進(jìn)口液相表觀速率得到的結(jié)論剛好相反。以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可解釋如下：一方面，由于彈狀流的氣液兩相是以氣彈和液彈的形式交替出現(xiàn)的，液相動量相對較小，更容易拐彎進(jìn)入第一個側(cè)支管；另一方面，各支管中的流動阻力存在明顯差異，氣液兩相都傾向于進(jìn)入流動阻力較小的支管，使得各支管中的氣液兩相分配嚴(yán)重不一致。

2.2.2 環(huán)狀流實驗結(jié)果

實驗選取5組數(shù)據(jù)點（16.064，0.016）、（16.064，0.027）、（16.064，

0.054）、（11.245，0.027）、（20.08，0.027）單位：m/s，分別固定入口氣（液）相流率，改變?nèi)肟谝海猓┫嗔髀?，得到的相分配曲線分別如圖6、7所示。

由圖6可知，在進(jìn)口流型為環(huán)狀流的條件下，最后兩個支管中相分配程度相對均勻。對于液相而言，大部分液相富集于后面兩個支管，隨著進(jìn)口氣相表觀速率增加，更多液相進(jìn)入第一個側(cè)支管。對于氣相而言，所有的氣相均進(jìn)入第二個和第三個側(cè)支管，并且隨著進(jìn)口氣相表觀速率的增加，更多氣相進(jìn)入最后一個側(cè)支管。

圖7顯示的是入口流型為環(huán)狀流時，液相進(jìn)口速率對兩相分配的影響。由圖可知，隨著液相進(jìn)口流率的增加，更多液相進(jìn)入第三個側(cè)支管，對于氣相而言，則影響不太顯著，這與固定液相表觀速率時得到的結(jié)論也是剛好相反。以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可解釋如下：一方面，不同于彈狀流，環(huán)狀流中的氣體是在管道中間高速運動的，液體被排擠到通道兩側(cè)，由于受到管壁摩擦減速作用影響較大，液體動量急速降低，因此相對于高速運動的氣體，具有較小動量的液體優(yōu)先從側(cè)支管采出，第一個側(cè)支管始終富集液體。

3 結(jié)束語

通過對彈狀流和環(huán)狀流在平行微通道內(nèi)的相分配行為進(jìn)行實驗研究，可以得到如下結(jié)論： （1）當(dāng)入口流型為彈狀流時，氣相富集于中間的支管，與此同時，兩側(cè)支管中則是更多液相富集。另一方面，固定進(jìn)口液（氣）相速率，隨著氣（液）相速率的增加（降低），更多的氣相和液相分別進(jìn)入第一個和第三個側(cè)支管； （2）當(dāng)入口流型為環(huán)狀流時，氣液兩相始終相對均勻地富集于后面兩個支管，第一個支管則始終走液相。此外，固定入口液（氣）相表觀速率，隨著入口氣（液）相速率的增加（降低），第二個側(cè)支管中的氣液兩相采出分率均有降低。

參考文獻(xiàn)

[1]Le Jun，Chen Guangwen，Yuan Quan，et al. Mass Transfer in gas-liquid flow in microchannels[J].CIESC Journal，2006，57（6）：1296-1303.

[2]J M Choi， W V Payne， P A Domanski.Effects of non-uniform refrigerant and air flow distributions on finned-tube evaporator performance， in： International Congress of Refrigeration， Washington， DC，2003：1-8.

[3]E V Rebrov， J C Schouten， et al. Single-phase fluid flow distribution and heat transfer in microstructured reactors[J].Chemical Engineering Science， 2011，66（7）：1374-1393.

[4]Wang S F， He K， Huang J Z. Phase splitting of a slug-annular flow at a horizontal micro-T-junction[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2011，54（1-3）：589-596.

[5]He K，Wang S F，Huang J Z.The effect of flow pattern on split of two phase flow through a micro-T-junction[J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2011，54（15-16）：3587-3593.

[6]Azzi A， Al-Attiyah A， Liu Q， Azzopardi B J， et al. Gas-liquid two phase flow division at a micro-T-junction[J].Chemical Engineering Science， 2010，65（13）：3986-3993.

[7]Stacey T ， Azzopardi B J ， Conte G， The split of annular two phase flow at a small diameter T junction [J].International Journal of Multi phase Flow， 2000，26（5）：845-856.

[8]Chung P M Y， Kawaji M.The effect of diameter on adiabatic two-phase flow characteristics in microchannels[J].International Journal of Multiphase Flow，2004，30（7-8）：735-761.