微小三通管彈狀流與環(huán)狀流相分配機(jī)理對(duì)比研究

楊　美，臧　新，周云龍

(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.中廣核工程有限公司,廣東 深圳 518000)

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微小三通管彈狀流與環(huán)狀流相分配機(jī)理對(duì)比研究

楊美1，臧新2，周云龍1

(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.中廣核工程有限公司,廣東 深圳 518000)

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，通過(guò)改變支管傾角，對(duì)微小三通管道模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了入口流型為彈狀流和環(huán)狀流時(shí)，微小三通管道的相分配特性，分析了管道中氣相和液相的體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。結(jié)果表明，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。對(duì)比研究微小三通管彈狀流與環(huán)狀流相分配機(jī)理,入口流型為環(huán)狀流時(shí)，支管傾角為60°的管內(nèi)流動(dòng)，經(jīng)過(guò)三通管道，延續(xù)環(huán)狀流穩(wěn)定方面有較大優(yōu)勢(shì)，可獲得最佳的相均勻分配;入口流型為彈狀流時(shí)，當(dāng)支管傾角減小為20°和30°時(shí)，兩者質(zhì)量分離效率相差小于5%，質(zhì)量分離效率最低，可獲得最佳的相均勻分配。

相分配；微小三通道；彈狀流；環(huán)狀流

在微化工領(lǐng)域內(nèi)，緊湊型和微小型熱交換器的需求日益增加，如燃料電池周圍需要配置大量水力半徑在微米級(jí)的熱交換器。三通管是一種常用的流體分配器，不可避免會(huì)出現(xiàn)相分配不均的情況[1-2]，工程上總是希望工質(zhì)可以均勻分配給下游，以免影響下游設(shè)備的正常運(yùn)行。

氣液兩相流在微通道中流動(dòng)經(jīng)過(guò)三通管道時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣相和液相分配比例不一樣，在主管和支管中的空氣和水的百分比有明顯差異。含氣率高的管道會(huì)出現(xiàn)設(shè)備干燒現(xiàn)象，嚴(yán)重影響管道的安全運(yùn)行，甚至出現(xiàn)管道爆裂情況,Alamua M B[3]，Wren E[4]對(duì)相分配不均情況做了詳細(xì)的研究。因此，微小三通管內(nèi)的流量分配及相分配特性的研究顯得越來(lái)越重要。

近些年來(lái)針對(duì)氣液兩相流過(guò)T形管時(shí)的相分布已進(jìn)行了較深入的研究，對(duì)于氣液兩相流流動(dòng)的分配特性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了深入的探討和研究[5-7]。在微小通道中相分配的情況只有少數(shù)人研究，Stacey T開(kāi)始用數(shù)值模擬方法來(lái)模擬部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8]，Kim等[9]人通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微通道由于管壁之間空間狹小，氣體很難攜帶液滴，液體只會(huì)以液膜的形式流動(dòng)。這些都是對(duì)5mm以上常規(guī)尺寸通道下的研究，在微小通道中相分配的研究只有一小部分，本文針對(duì)微小三通管彈狀流和環(huán)狀流相分配特性對(duì)比研究，探討氣液兩相流相分配機(jī)理。

1　微小三通管物理模型

微小三通通道截面積為矩形(100 μm×800 μm)，主管為彈狀流流動(dòng)，主支管與側(cè)支管長(zhǎng)度均為1 cm。模擬流體為氮?dú)夂唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的十二烷基硫酸鈉水溶液(0.01%SDS)。本方案選了6組主管與支管夾角θ，平面圖如圖1所示，整個(gè)詳細(xì)的模擬過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]所述。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1數(shù)值模擬的可行性和準(zhǔn)確性

為了驗(yàn)證計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬結(jié)果的可行性和準(zhǔn)確性，將本模型與周云龍[11]實(shí)驗(yàn)所做的T型微通道兩相流彈狀流型和環(huán)狀流進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性[11-12]。

2.2支管傾角對(duì)彈狀流和環(huán)狀流相分配的影響

支管出口液相采出分率計(jì)算公式

F3w=M3w/M1w×100% ，

(1)

式中：M3w與M1w分別為支管出口液相質(zhì)量流率和主管入口液相質(zhì)量流率，kg/s。

支管出口氣相采出分率計(jì)算公式

F3a=M3a/M1a×100% ，

(2)

式中：M3a與M1a分別為支管出口氣相質(zhì)量流率和主管入口的氣相質(zhì)量流率，kg/s。該流動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，在不同時(shí)刻支管采出率是不同的，取各個(gè)時(shí)間段的時(shí)均值。

通過(guò)對(duì)微小三通管道模型的數(shù)值模擬，得到入口流型為彈狀流和入口流型為環(huán)狀流時(shí)，不同支管傾角下的微小三通管道的相分配特性。對(duì)角線為兩相均勻分配的等分線，如圖2、圖3所示。

圖2　不同支管傾角對(duì)彈狀流相分配特性

圖3　不同支管傾角環(huán)狀流的相分配特性

支管傾角不同時(shí)，彈狀流的相分配特性不同，支管出口氣相采出分率總大于支管出口液相采出分率，如圖2所示。說(shuō)明彈狀流在管內(nèi)發(fā)生了不均勻分離，此時(shí)支管氣相采出占優(yōu)。在氣液彈狀流中，氣彈和液彈交替流動(dòng)，氣體和液體因?yàn)槊芏炔畲?，液體的動(dòng)能大于氣體的動(dòng)能[13]，在分叉處液體不易于改變流動(dòng)方向進(jìn)入支管中，而大量氣體進(jìn)入支管，造成支管中氣相采出分率大于液相采出分率。當(dāng)支管傾角減小時(shí)，分離效率逐漸降低。支管傾角越大，連接處動(dòng)能損失越大，氣體動(dòng)能損失大于液體動(dòng)能損失，導(dǎo)致大量氣體改變方向進(jìn)入支管，而液體選擇進(jìn)入主管，很少部分進(jìn)入側(cè)支管。傾角越大，流入側(cè)支管的氣體體積分?jǐn)?shù)越大，造成相分配不均越明顯。

環(huán)狀流在一定范圍內(nèi)改變支管傾角對(duì)連接處的相分布有明顯影響，如圖3所示。由于氣液兩相環(huán)狀流中，中間氣流速度通常很大，而兩側(cè)液膜速度相對(duì)較小。氣流區(qū)通過(guò)液膜交界面的拖拽作用使液膜上升速度高于液體入口速度。通過(guò)氣液剪切機(jī)理，管道內(nèi)壁面的剪切應(yīng)力是環(huán)狀流的主要流動(dòng)阻力。在連接處，壁面附近的粘性力占主導(dǎo)地位，液體慣性力相對(duì)較小，近壁側(cè)的液膜隨著壁面粘性力和氣體對(duì)液體的剪切應(yīng)力進(jìn)入支管，而中間氣流速度較大，且不受壁面粘性力影響，其慣性力占主導(dǎo)地位，大部分流進(jìn)主管道。支管傾角較小時(shí)，在延續(xù)環(huán)狀流流場(chǎng)穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢(shì)，氣體在側(cè)支管的體積分?jǐn)?shù)大于在主管中的體積分?jǐn)?shù)。

2.3支管傾角對(duì)彈狀流和環(huán)狀流相分配機(jī)理對(duì)比研究

2.3.1支管傾角為90°時(shí)環(huán)狀流與彈狀流的相分配特性對(duì)比

圖4　環(huán)狀流與彈狀流的相分配對(duì)比圖

主管與支管傾角為90°時(shí)氣液兩相的相分配特性，如圖4所示。液體速度為0.05 m/s、氣體速度為0.05時(shí)的環(huán)狀流與液體速度為0.035 m/s、氣體速度為0.1時(shí)的彈狀流相分配特性對(duì)比圖。由圖4可以觀察到，環(huán)狀流的數(shù)據(jù)大部分在兩相均勻分布線的上方，彈狀流的數(shù)據(jù)大部分在兩相均勻分布線的下方。這說(shuō)明當(dāng)流型為環(huán)狀流的時(shí)候，液體比氣體更容易從側(cè)支管采出；當(dāng)流型為彈狀流的時(shí)候，液體比氣體更容易從側(cè)支管采出。

2.3.2改變支管傾角對(duì)環(huán)狀流與彈狀流的相分配特性對(duì)比

入口流型為環(huán)狀流時(shí)，當(dāng)支管傾角為90°、120°、150°時(shí)，液相優(yōu)先從側(cè)支管中采出；支管傾角為30°時(shí)，氣相優(yōu)先從側(cè)支管中采出；支管傾角為60°時(shí)可獲得最佳的相均勻分配。通過(guò)微通道側(cè)支管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，減少相分配的不均勻性。

入口流型為彈狀流時(shí)，當(dāng)支管傾角為20°-150°時(shí)，氣相優(yōu)先從側(cè)支管中采出。彈狀流的相分配在支管傾角越大時(shí)，質(zhì)量分離效率越高，大部分氣體選擇從側(cè)支管采出，發(fā)生了重新分配。當(dāng)支管傾角減小時(shí)，分離效率逐漸降低，支管傾角減小為20°和30°時(shí)，此時(shí)分離效率相差小于5%，質(zhì)量分離效率最低，得到最佳的相均勻分配。

氣液兩相環(huán)狀流中，中間氣流速度通常很大，而兩側(cè)液膜速度相對(duì)較小。氣流區(qū)通過(guò)液膜交界面的拖拽作用，使液膜上升速度高于液體入口速度[14]。通過(guò)氣液剪切機(jī)理，管道內(nèi)壁面的剪切應(yīng)力是環(huán)狀流的主要流動(dòng)阻力。在連接處，壁面附近的粘性力占主導(dǎo)地位，液體慣性力相對(duì)較小，近壁側(cè)的液膜隨著壁面粘性力和氣體對(duì)液體的剪切應(yīng)力進(jìn)入支管，而中間氣流速度較大，且不受壁面粘性力影響，其慣性力占主導(dǎo)地位，大部分流進(jìn)主管道。支管傾角較小時(shí)，在延續(xù)環(huán)狀流流場(chǎng)穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢(shì)，氣體在側(cè)支管的體積分?jǐn)?shù)大于在主管中的體積分?jǐn)?shù)。支管傾角越大，連接處動(dòng)能損失越大，液體速度降低，環(huán)狀流中液體受到中心處速度大的氣體剪切作用越強(qiáng)，導(dǎo)致大量液體順著管壁流入側(cè)支管道。當(dāng)傾角大于等于90°時(shí)，液體在側(cè)支管的體積分?jǐn)?shù)大于在主管中的體積分?jǐn)?shù)，出現(xiàn)相分配不均現(xiàn)象。

氣液彈狀流中，氣彈和液彈交替流動(dòng)，氣體和液體因?yàn)槊芏炔畲螅后w的動(dòng)能大于氣體的動(dòng)能，在分叉處液體不易于改變流動(dòng)方向進(jìn)入支管中，而大量氣體進(jìn)入支管，造成支管中氣相采出分率大于液相采出分率。當(dāng)在氣相速度一定時(shí)，隨著液相速度的增加，液體動(dòng)能增大，液體更多的從主管中采出，造成支管中液相采出分率逐漸減小。在液相速度一定時(shí)，隨著氣相速度的增加，氣體的動(dòng)能增加，氣體不易于改變流動(dòng)方向，在分叉處選擇進(jìn)入主管的氣體增加，造成支管中氣相采出分率逐漸減小。

2.4環(huán)狀流與彈狀流的最佳相均勻分配特性對(duì)比

圖5　環(huán)狀流與彈狀流的最佳相均勻分配對(duì)比圖

根據(jù)采用Yang[16]的方法，質(zhì)量采出分率與分離效率的關(guān)系得出：支管傾角為60°時(shí)，環(huán)狀流的質(zhì)量分離效率最低時(shí)，此時(shí)可獲得最佳的相均勻分配；支管傾角為30°時(shí)，彈狀流的質(zhì)量分離效率最低時(shí)，此時(shí)可獲得最佳的相均勻分配。環(huán)狀流和彈狀流此時(shí)分離效率都在10%以下，大致可以認(rèn)為此時(shí)兩相在主管與支管均勻分布，此時(shí)兩相流經(jīng)過(guò)分叉處沒(méi)有發(fā)生相的重新分配，如圖5所示。在工程實(shí)際應(yīng)用中，支管傾角為60°的三通管可以作為環(huán)狀流的相均勻分配管道；支管傾角為30°的三通管可以作為彈狀流的相均勻分配管道。

3　結(jié)　　論

入口流型為環(huán)狀流時(shí)，液相采出分率隨著液體的速度增加而減小，而氣體的速度對(duì)液相采出分率影響不大。當(dāng)支管傾角為90°、120°、150°時(shí)，液相優(yōu)先從側(cè)支管中采出；支管傾角為30°時(shí)，氣相優(yōu)先從側(cè)支管中采出；支管傾角為60°的管內(nèi)流動(dòng)，經(jīng)過(guò)三通管道，延續(xù)環(huán)狀流穩(wěn)定方面有較大優(yōu)勢(shì)，可獲得最佳的相均勻分配。

入口流型為彈狀流時(shí)，當(dāng)支管傾角為90°、120°、150°時(shí)，液相優(yōu)先從側(cè)支管中采出；支管傾角為30°時(shí)，氣相優(yōu)先從側(cè)支管中采出；支管傾角為60°時(shí)，可獲得最佳的相均勻分配。入口流型為彈狀流時(shí)，當(dāng)支管傾角為20°-150°時(shí)，氣相優(yōu)先從側(cè)支管中采出。當(dāng)支管傾角減小時(shí)，分離效率逐漸降低，支管傾角減小為20°和30°時(shí)，此時(shí)分離效率相差小于5%，質(zhì)量分離效率最低，得到最佳的相均勻分配。

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Comparison the Mechanismof Phase Split of Slug and Annular Flow in Micro-Junction

Yang Mei1，Zang Xin2,ZHOU Yun-long1

(1.Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012；2.China Guangdong Nuclear Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518000)

Numerical simulation for micro-junction of different branch pipe dip angle was carried out by using the CFD method.The phase split characteristic of slug and annular flow in micro-junction was investigated and the phase volume fraction distribution was analyzed.The results show that Phase separation characteristics of micro channel is influenced by two phase flow upstream flow pattern.Slug priority in the branch current in phase extraction,whereas the annular flow of liquid produced in the branch pipe.Comparison mechanism of Phase Split of Slug and annular Flow in Micro-Junction.when the type inlet flow to annular flow,when the branch pipe dip angle is 60°,after a three-way pipes,continuation of annular flow stability has great advantages,the phase split characteristic is uniformity.when the type inlet flow to slug flow，F(xiàn)or the branch pipe dip angle of 20°and 30°,the quality of separation efficiency difference is less than 5%,causing a lowest quality separation efficiency.

Phase split flow；Micro-junction；Annular flow；Slug flow

2016-04-18

楊美(1988-)，女，貴州省銅仁市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院助教，碩士，主要研究方向:氣液兩相流流動(dòng)及傳熱.

1005-2992(2016)04-0073-05

TP29

A