微尺度相分離器不同結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究

安 賓， 徐進(jìn)良

(華北電力大學(xué) 低品位能源多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

微尺度相分離器不同結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究

安 賓， 徐進(jìn)良

(華北電力大學(xué) 低品位能源多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

相分離在很多行業(yè)是非常重要的工藝過(guò)程，比如化學(xué)工程應(yīng)用中的反應(yīng)過(guò)程和熱組件分離過(guò)程。提出了利用毛細(xì)作用的微型相分離裝置，矩形流道中局部布置微針肋實(shí)現(xiàn)分離過(guò)程，使相分離區(qū)域流道分為兩側(cè)區(qū)域和中心區(qū)域。當(dāng)兩相流體接觸到微針肋時(shí)，由于毛細(xì)力作用氣體被阻擋在中心區(qū)域流向兩側(cè)區(qū)域，同時(shí)液體可以順利進(jìn)入中心區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)兩相分離效果。使用三維模型對(duì)相分離過(guò)程進(jìn)行模擬，利用VOF方法進(jìn)行界面捕捉，實(shí)現(xiàn)兩相分離效果。對(duì)彈狀流在相分離器的分離原理進(jìn)行了分析，研究表明：布置微針肋的微通道能實(shí)現(xiàn)氣液分離效果，液膜厚度顯著變下，能應(yīng)用于冷凝器，有效增強(qiáng)換熱效果。進(jìn)一步對(duì)不同微肋布置方式的流道相分離效果進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：分離器中心流道大的結(jié)構(gòu)，更容易實(shí)現(xiàn)相分離，分離更快；氣泡周圍的液膜厚度也更薄，更有利于傳熱。

兩相；微流體；相分離

0 引 言

微尺度的兩相流廣泛應(yīng)用于電子芯片，毛細(xì)反應(yīng)器，微電子系統(tǒng)和微尺度換熱器裝置等眾多領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)尺度，微尺度的兩相流具有更高的質(zhì)量和熱量傳導(dǎo)率、高表面積體積比等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。相分離過(guò)程在微流控制中是相當(dāng)重要的主題，許多機(jī)理應(yīng)用于得到穩(wěn)定的分離效果，比如離心力，重力和表面張力。在微尺度分離中表面張力作用占主導(dǎo)地位[4，5]，傳統(tǒng)大尺度分離器的分離原理不適用于微尺度系統(tǒng)。

大量研究關(guān)注于利用毛細(xì)力現(xiàn)象的分離器，其中改變流道結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)相分離主要途徑。Günther[6-8]加入了毛細(xì)系統(tǒng)來(lái)分離氣液兩相流。對(duì)不同的流型均能達(dá)到很好的分離效果，但需要對(duì)毛細(xì)系統(tǒng)額外施加小于流動(dòng)系統(tǒng)的壓力。通過(guò)改變表面材料親水性處理實(shí)現(xiàn)分離效果的方法同樣被許多研究應(yīng)用，該方法充分利用了表面張力和濕潤(rùn)現(xiàn)象[9,10]。Hibara[11]結(jié)合深淺不同的流道采用不同的表面處理利用表面張力實(shí)現(xiàn)了兩相分離。Yao[12]對(duì)硅片上交替排列親水和疏水的肋條構(gòu)成分離器。改變材料表面親水性和疏水性能更好的發(fā)揮表面張力作用，但材料在熱和極端PH環(huán)境下導(dǎo)致破壞表面特性破壞，失去分離效果。

本文提出了新的微通道分離結(jié)構(gòu)。在微尺度流道中加入微針肋，利用毛細(xì)力作用實(shí)現(xiàn)氣液分流，不需要額外驅(qū)動(dòng)力，不受溫度和極端PH環(huán)境影響，且對(duì)微尺度冷凝起到增強(qiáng)換熱的效果。使用VOF方法模擬在相同流動(dòng)條件下，研究不同微針肋排列結(jié)構(gòu)對(duì)相分離的影響及對(duì)氣液流型的調(diào)控，以及在冷凝中增強(qiáng)換熱的效果進(jìn)行了分析。

1 模型結(jié)構(gòu)

微分離器是由截面尺寸為200×100 μm2為矩形微通道加入面積為5×5 μm2微針肋構(gòu)成，如圖1所示。在入口段，主流道流進(jìn)氣體，與之相垂直的兩個(gè)流道為水入口，氣液交匯形成兩相流。由于Taylor流是微尺度下兩相流的主要流型，因此本文流型調(diào)控和分離在Taylor流基礎(chǔ)上進(jìn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)氣體和液體的流量可以得到穩(wěn)定的Taylor流，微通道內(nèi)的流動(dòng)始終處于層流階段。在形成穩(wěn)定的兩相流流型后，在流道的下游排列方柱形微針肋。微針肋把流道分為兩個(gè)部分：流道中心區(qū)域和兩側(cè)區(qū)域。表1中給出了分離器的具體參數(shù)。

圖1 冷凝器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The schematic diagram of microchannel structure

μm

2 模擬方法

Volume of fluid(VOF)方法作為數(shù)值計(jì)算中兩相流的主要方法之一，能夠精確的捕捉相界面并計(jì)算表面張力[13]。本研究基于VOF方法的FLUENT商業(yè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于是微尺度流道中，重力的影響相對(duì)于表面張力可以忽略不計(jì)。氣液相為不可壓縮流體，密度分別為1.225 kg/m3和 998.2 kg/m3。氣液相表面張力為0.072 5 N/m?；谝陨霞僭O(shè)，氣液兩相流的全區(qū)域連續(xù)性和動(dòng)量方程如下：

(1)

(2)

式中：ρ和μ分別代表密度和動(dòng)力粘度。方程中的物性參數(shù)均通過(guò)每個(gè)控制容積內(nèi)的組分確定。流體在網(wǎng)格單元中是單相或混合相是由體積分?jǐn)?shù)α決定。求解氣相的體積分?jǐn)?shù)連續(xù)性方程可以實(shí)現(xiàn)追蹤氣液相界面：

(3)

表面張力是微通道內(nèi)的重要作用力。表面張力模型使用由Brackbill提出的the continuum surface force (CSF)模型[14]。在此模型中，表面張力被作一個(gè)源項(xiàng)加入到動(dòng)量方程中。源項(xiàng)的形式如下：

(4)

(5)

計(jì)算中入口采用恒定速度的速度入口邊界條件，壓力出口和無(wú)滑移邊界條件分別應(yīng)用在出口和壁面。在氣液都接觸接觸壁面時(shí)，或氣泡周圍液膜非常小使得van der Waal作用力能穿透液膜時(shí)，壁面接觸角會(huì)起到重要作用。本文計(jì)算中忽略接觸角的影響，因?yàn)樵跉馀葜車纬梢粚颖∫耗ぃ耗ず穸榷荚谖⒚琢考?jí)，遠(yuǎn)大于van der Waal力納米量級(jí)的作用距離。圖2為計(jì)算網(wǎng)格劃分，微肋和通道尺寸相差較大，采用非均勻網(wǎng)格。

圖2 相分離器的多尺度網(wǎng)格 Fig.2 The multi-scale grids for the microchannel

3 結(jié)果與討論

3.1 網(wǎng)格與模型驗(yàn)證

以氣彈形狀為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模型計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了獨(dú)立性檢驗(yàn)，網(wǎng)格數(shù)分別為2 806 440，4 516 320，6 453 480。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。網(wǎng)格數(shù)為4516320的網(wǎng)格在保證計(jì)算精準(zhǔn)度前提下能減小計(jì)算量，本文計(jì)算將采用此套網(wǎng)格。

圖3 關(guān)于氣彈形狀的網(wǎng)格獨(dú)立性計(jì)算Fig.3 Mesh independence study for droplet shape

為驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，在寬度為200 μm，長(zhǎng)度為10 mm的方形流道中，如圖4所示，長(zhǎng)度為600 μm的氣泡置于距離入口0.5 mm處，入口分別給速度為1 m/s，2 m/s和 4 m/s的水，對(duì)應(yīng)的毛細(xì)數(shù)Ca分別為 0.016 46, 0.036 47和0.078 99。圖4為計(jì)算結(jié)果與Hazel & Heil[15]and Shikaono & Han[16]中公式的對(duì)比其中Rcenter和Rcorner分別為

(6)

(7)

數(shù)據(jù)在距入口8 mm (40Dh)處獲得。

圖4 微通道彈狀流截面Fig.4 Dimensionless Rcenter and Rcorner in a square channel

圖5表示毛細(xì)數(shù)Ca對(duì)氣泡形狀的影響。計(jì)算結(jié)果與Hazel & Heil 的最大誤差為3.6%。相比于Shikazono & Han 的Rcorner表達(dá)式

(8)

誤差均在5%以內(nèi)。

圖5 Rcenter and Rcorner模擬結(jié)果與文獻(xiàn)對(duì)比Fig.5 Rcenter and Rcorner compared with references

3.2 相分離過(guò)程

流道內(nèi)首先充滿液體，液體能夠自由的通過(guò)流道各個(gè)區(qū)域，并形成穩(wěn)定的流場(chǎng)。在流場(chǎng)穩(wěn)定后，氣相入口注入氣體，在給定的流量下，氣液在流道前段進(jìn)行交互混合。分離過(guò)程主要由4個(gè)流動(dòng)現(xiàn)象構(gòu)成，如圖6所示：(1) 液體與氣體間隔交替出現(xiàn)的穩(wěn)定Taylor流；(2) 氣液分流過(guò)程； (3) 氣體通道排液過(guò)程；(4)穩(wěn)定的氣液分流道流動(dòng)過(guò)程。

圖6 工況2分離器中的相分布，t =21.6 msFig.6 The phase separation process in case 2, t=21.6 ms

當(dāng)流體為單相液體時(shí)，在壓力的驅(qū)動(dòng)下自由的通過(guò)微針肋進(jìn)入流道的中心區(qū)域。而當(dāng)氣液兩相同時(shí)接觸微針肋時(shí)，由于表面張力的作用，氣相無(wú)法突破微針肋進(jìn)入中心區(qū)域，迫使氣相進(jìn)入兩側(cè)流道與液相分離。此時(shí)，由于氣體被阻擋在微肋外，對(duì)中心流道形成的堵塞，中心流道初段液體幾乎靜止?fàn)顟B(tài)。如圖7，當(dāng)氣泡突破針肋時(shí)，表面能可表示

(9)

式中：E為表面能；w是微肋間距；D為流道寬度；H為流道高度。ds1和ds2分別為氣泡在進(jìn)入微肋的距離和流道中氣泡移動(dòng)的距離，如圖7所示。當(dāng)從狀態(tài)1到狀態(tài)2時(shí)，需要做出的功為

dK=p1DHds1-p2Dwds2

(10)

當(dāng)氣泡突破針肋時(shí)，dK至少需要等于dE，此時(shí)壓差為

(11)

由于D≥w，方程右側(cè)第二項(xiàng)對(duì)壓差影響很小。當(dāng)代入模擬工況下的參數(shù)，p1-p2=28 Kpa。氣泡突破微肋縫隙進(jìn)入流道中心至少需要28 Kpa。

同樣，對(duì)于兩側(cè)流道區(qū)域突破流道側(cè)微肋縫隙需要的壓力為

(12)

式中：δ為兩側(cè)流道的寬度，工況中最小的δ=30 μm。此時(shí)p1-p2=24 Kpa，至少需要24 Kpa的壓差才能使氣泡從兩側(cè)進(jìn)入流道中心。微針肋間距越小，氣泡突破進(jìn)入中心流道所需的壓差就越大。因此保證了氣泡無(wú)法進(jìn)入流道中心區(qū)域，中心區(qū)域?yàn)榧円合唷?/p>

圖7 氣泡突破孔隙的壓力分析Fig.7 The pressure difference analysis for a bubble penetrating over the pore

3.3 微肋排列的影響

在模擬工況下流道內(nèi)加入固定的微針肋排列，能達(dá)到分離效果。而不同的微針肋排列方法，也將會(huì)對(duì)氣液流動(dòng)產(chǎn)生不同的影響。本文對(duì)于不同微針肋的排列對(duì)分離效果的影響也進(jìn)行了研究。為研究結(jié)構(gòu)的影響，將微肋與壁面間的間距為30 μm，40 μm和60 μm，流道具體幾何參數(shù)見(jiàn)表2。在保持相同的入口條件下，對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。

表2 三種工況下相分離器的操作條件和不同尺寸

圖8所示，彈狀流在進(jìn)入相分離區(qū)域均改變了流型。Taylor流在不同的結(jié)構(gòu)下氣泡和液橋長(zhǎng)度稍有變化，由于結(jié)構(gòu)的改變對(duì)整個(gè)流動(dòng)區(qū)域壓力造成了變化，對(duì)入口端壓力有影響，壓力的變化對(duì)彈狀流的氣泡產(chǎn)生造成了影響。由于氣泡差異不是很大，本文主要的關(guān)注點(diǎn)在氣液分離，因此對(duì)影響彈狀流產(chǎn)生的因素不予研究。3種工況下均達(dá)到了氣液分離的效果。液橋的長(zhǎng)度也有明顯降低，而且液橋的間距逐漸減小，氣泡與下游氣泡融并。經(jīng)過(guò)一段距離后氣泡間的液橋完全排出，與下游氣泡融并。對(duì)比可得出，微肋與壁面間距為30μm的工況3結(jié)構(gòu)分離效果最佳，調(diào)控過(guò)程最短。因此中心流道較小的結(jié)構(gòu)較適用于在大氣含量的混合流體分離，既能達(dá)到盡快達(dá)到氣液分離又能降低流動(dòng)壓力損失。而對(duì)小含氣流量，需要更大的壓差來(lái)排出較多的液體，較寬中心流道的結(jié)構(gòu)較為合適。

圖8 不同工況下沿氣相流經(jīng)流道的氣相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.8 Gas volume fraction distribution along the channel in different conditions

3.4 氣泡冷凝分析

在有換熱的情況下流體進(jìn)行冷卻，加入微肋可以增加冷凝換熱效率，增強(qiáng)氣泡冷凝速率。如圖9所示，三種工況下在光管區(qū)域液膜厚度基本一致，最薄處為4.84 μm。在分離后液膜厚度均明顯降低，不同結(jié)構(gòu)下分別為3.15 μm、2.72 μm和1.88 μm。氣泡的冷凝由氣泡與壁面的通過(guò)薄液膜的導(dǎo)熱和氣泡與周圍液體間的導(dǎo)熱組成，由于氣泡與薄液膜區(qū)域外的液體導(dǎo)熱相比于氣泡通過(guò)薄液膜與壁面的導(dǎo)熱相比很小，氣泡冷凝主要是由氣泡與壁面間的薄液膜通過(guò)導(dǎo)熱傳向壁面。分離區(qū)氣相流動(dòng)區(qū)域小的工況3中，液膜厚度最薄，對(duì)傳熱提升最好。

圖9 光管段和分離段的液膜厚度Fig.9 Liquid film thicknesses in the bare duct section and fully phase separation flow section

加入微肋的目的為增加冷凝換熱效率，增強(qiáng)氣泡冷凝速率。氣泡的冷凝由氣泡與壁面的通過(guò)薄液膜的導(dǎo)熱和氣泡與周圍液體間的導(dǎo)熱組成，由于氣泡與薄液膜區(qū)域外的液體導(dǎo)熱相比于氣泡通過(guò)薄液膜與壁面的導(dǎo)熱相比很小，氣泡冷凝主要是由氣泡與壁面間的薄液膜通過(guò)導(dǎo)熱傳向壁面。因此氣泡的冷凝速率可表示為

(13)

式中：λl為液相導(dǎo)熱系數(shù)；hlg為流體汽化潛熱；δ為液膜厚度，即氣液界面法線方向到壁面的距離，Tw為壁面溫度；Tsat為飽和溫度；Abubble為氣泡與壁面接觸面積。因此氣泡的冷凝速率變?yōu)?/p>

(14)

式中：δa為平均均液膜厚度。液膜厚度為氣液界面沿界面法相方向到壁面的距離，由于流道截面為矩形，因此界面上不同位置的液膜厚度是不同的，如圖9所示，液膜厚度沿氣液界面是不均勻的。而流動(dòng)方向上不同位置的大小也不相同。因此液膜厚度是由流動(dòng)截面上界面不同位置和流動(dòng)方向位置所決定。

因此影響氣泡冷凝速度的參數(shù)由氣泡散熱面積Abubble和液膜厚度δa兩個(gè)因素構(gòu)成。三個(gè)工況下氣泡最終都能融，因此散熱面積Abubble相等。但都比光管區(qū)散熱面積大，原因在于氣相流通流道的變小。如圖8所示，不同工況下液膜厚度δa比光管區(qū)分別減小0.42、0.36和0.24倍，其中工況3由于氣相流道最窄，因此液膜厚度最小。隨著氣泡散熱面積Abubble的增大和液膜厚度δa的減小，氣泡冷凝速率隨之增大，因此調(diào)控后增強(qiáng)了冷凝換熱，其中工況3小流道下?lián)Q熱增強(qiáng)效果最佳。

4 結(jié) 論

(1)本文提出了新的微通道氣液分離器，在微流道內(nèi)布置微針肋，利用表面張力作用，對(duì)氣液兩相流進(jìn)行氣液分離。用VOF模擬方法對(duì)相分離器進(jìn)行了模擬，實(shí)現(xiàn)了分離效果。

(2)在同種流動(dòng)條件下，研究了不同的微肋排列結(jié)構(gòu)均能到達(dá)氣液分離的效果。不同結(jié)構(gòu)下均能達(dá)到分離效果，分離效果有所不同。其中中心流道較大的設(shè)計(jì)分離效果最好，分離速度最快。

(3)隨著氣液相的分離，氣泡與壁面間的液膜厚度顯著減小，同時(shí)與壁面接觸面積增大，在冷凝中能有效增強(qiáng)氣泡與壁面換熱。兩側(cè)更窄的微肋布置，更能減小液膜厚度，增大換熱面積，換熱效果更好。

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Numerical Study on Different Structures of Micro Phase Separator

AN Bin, XU Jinliang

(The Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Phase separation is an important process in many chemical engineering applications, such as reactive processes and thermo-element separation processes. In this paper, a novel micro phase separator was proposed by using the capillary separation effect. The micro-pin-fins are locally populated in a rectangular micro channel, forming an enclosed region with micro pores as the boundaries. When a two-phase stream interacts with the enclosed region boundary with micro-pores, the gas phase is prevented from entering the center enclosed region to enforce the gas phase flowing in the two side regions. Meanwhile, the liquid phase is flowing towards the center enclosed region. As a result, the two phases are separated. A three-dimensional numerical model is built to simulate the separation process. The volume of fluid (VOF) method is used to track the gas-liquid interface and then the two phases were separated. The separation principle of the separator is analyzed. The result showed that the micro channel contributes to gas-liquid separation, and the liquid film is obviously thinner than it in the bare channel. When the device is applied in a condenser, it can significantly enhance the heat transfer efficiency. The effect of the separator configuration parameters such as pin-fin size and distribution is also analyzed based on the computation results. Gas and liquid phase separation all can be achieved. The effect of phase separation is better with wider area of central flow channel. The liquid film around the bubble is thinner and the heat transfer is more effective.

two phases; micro-flow; phase separation

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.01.15

2016-04-21.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51436004)；國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作項(xiàng)目(51210011).

TK124

A

1007-2691(2017)01-0097-06

安賓(1985 -)，男，博士研究生，研究方向?yàn)閮上嗔魑⒊叨葌鳠崤c流動(dòng)；徐進(jìn)良(1966-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⒊叨攘黧w力學(xué)與傳熱。