基于Micro-PIV的毛細(xì)管內(nèi)流場(chǎng)的可視化研究

田海棟, 劉 方, 劉 江, 陳 強(qiáng)

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

微通道是指當(dāng)量直徑為10～1 000 μm的通道。了解微通道內(nèi)部的流體流動(dòng)和傳熱特性,是設(shè)計(jì)高效、緊湊及傳熱性能優(yōu)良的換熱器的關(guān)鍵。觀測(cè)流體內(nèi)部的流動(dòng)情況是研究和設(shè)計(jì)微通道的基礎(chǔ)。對(duì)于微通道內(nèi)流體的流動(dòng),已經(jīng)取得了許多重要的研究結(jié)果。AHMAD T等人[1]利用Micro-PIV研究了管徑分別為100 μm,200 μm,500 μm的方形微通道層流流動(dòng)時(shí)入口區(qū)域的速度發(fā)展情況,并提出了新的入口長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)式。HAO P F等人[2]利用Micro-PIV研究了流體流過(guò)矩形微通道側(cè)壁矩形粗糙元附近的流場(chǎng)情況,發(fā)現(xiàn)由層流向紊流轉(zhuǎn)變發(fā)生在雷諾數(shù)Re為900～1 100之間。WALSH P A等人[3]將Micro-PIV應(yīng)用于納米流體,研究了納米流體對(duì)通道內(nèi)局部流動(dòng)的影響,有助于開(kāi)發(fā)或驗(yàn)證納米流體在傳熱增強(qiáng)方面相關(guān)的理論。DAI Z H等人[4]利用Micro-PIV對(duì)波浪管的局部速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,得到了波浪管中的渦旋結(jié)構(gòu)。 BALASUBRAMANIAM L等人[5]研究了低雷諾數(shù)下的螺旋微通道中混合流體的性能,發(fā)現(xiàn)了多種渦結(jié)構(gòu)。劉江[6]利用Micro-PIV對(duì)處于風(fēng)洞中的集沙儀的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,主流速度的變化對(duì)集沙儀的動(dòng)力特性的影響可忽略不計(jì)。

本文利用Micro-PIV對(duì)毛細(xì)管內(nèi)水包油乳液的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,同時(shí)運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)毛細(xì)管內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬,研究了毛細(xì)管充分發(fā)展段內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)從層流到湍流轉(zhuǎn)捩的臨界雷諾數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 毛細(xì)管的幾何結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中圓截面毛細(xì)管所用材料為石英玻璃,具體的截面尺寸如表1所示。

表1 毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)尺寸 mm

毛細(xì)管的俯視圖如圖1所示。

圖1 毛細(xì)管的俯視圖

實(shí)驗(yàn)中Re的計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

η=η0(1+2.5φ)[7]

(4)

式中:Ac——毛細(xì)管的流動(dòng)截面積,mm2;

P——潤(rùn)濕周長(zhǎng),mm;

d——毛細(xì)管直徑,mm;

η——水包油乳液的黏度,m2/s;

qv——體積流量,kg/m3;

η0——去離子水的黏度,m2/s;

φ——水包油乳液的體積分?jǐn)?shù)。

1.2 MicroPIV系統(tǒng)原理及操作步驟

毛細(xì)管內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)量裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置示意

本文利用德國(guó)LaVision公司生產(chǎn)的Micro-PIV對(duì)水平放置的毛細(xì)管內(nèi)水包油乳液的流動(dòng)特性進(jìn)行了觀察和研究。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,配置好熒光示蹤粒子溶液和水包油乳液。按比例將一部分示蹤粒子溶液與水包油乳液混合。實(shí)驗(yàn)時(shí),首先開(kāi)啟雙脈沖激光器的電源,此時(shí)不可打開(kāi)CCD相機(jī),以防激光損毀CCD相機(jī)的芯片,導(dǎo)致設(shè)備損壞(通常在顯微鏡激光入口之前放置一遮擋物)。然后,利用同步控制器和PIV 軟件控制激光器和CCD相機(jī)的開(kāi)啟。待含有熒光示蹤顆粒的水包油乳液在毛細(xì)管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)后,通過(guò)軟件控制雙脈沖激光器照亮毛細(xì)管中觀察范圍內(nèi)的熒光示蹤粒子,并用CCD高速攝像機(jī)拍攝微通道內(nèi)水包油乳液流動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)圖像,用軟件記錄下來(lái)。最后,利用PIV軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理,得到水包油乳液在毛細(xì)管內(nèi)的矢量場(chǎng)分布。

實(shí)驗(yàn)中,將毛細(xì)管固定在顯微鏡的載物臺(tái)上,利用注射泵將水包油乳液和熒光示蹤粒子的混合溶液注入毛細(xì)管中,并在出口處用燒杯收集實(shí)驗(yàn)過(guò)的溶液。通過(guò)改變注射泵的流量設(shè)置參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)水包油乳液進(jìn)入毛細(xì)管的流量。

2 數(shù)值模擬

2.1 物性參數(shù)

去離子水和導(dǎo)熱油的物性參數(shù)如表2所示。

表1 去離子水和導(dǎo)熱油的物性參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

利用GAMBIT軟件對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的繪制和網(wǎng)格劃分,如圖3所示。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖3 毛細(xì)管網(wǎng)格分布

2.3 數(shù)值模擬方法

本文利用FLUENT軟件對(duì)玻璃毛細(xì)管內(nèi)水包油乳液的流動(dòng)進(jìn)行模擬。將水包油乳液看做單相流,在Re為1 000～5 000范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)Re為1 000～2 500時(shí),采用層流模型進(jìn)行模擬計(jì)算;當(dāng)Re為3 000～5 000時(shí),采用k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。采用SIMPLE算法對(duì)無(wú)量綱控制方程進(jìn)行求解,動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式,以提高計(jì)算精度。因?qū)嶒?yàn)過(guò)程中不涉及能量的傳遞,所以能量方程處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)殘差小于10-5時(shí),動(dòng)量方程視為計(jì)算收斂。

2.4 邊界條件

進(jìn)口條件設(shè)置為速度入口,速度大小依據(jù)Re來(lái)確定。出口條件設(shè)置為壓力出口,壁面條件設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件。

3 混合溶液的配置

實(shí)驗(yàn)所用的示蹤粒子溶液中,粒子材質(zhì)為聚苯乙烯,粒徑為1 μm,質(zhì)量濃度為1%,密度為1.05 g/cm3。粒子的密度與去離子水的密度相近,因此被選為示蹤粒子。示蹤粒子在綠色激光的照射下發(fā)出紅光,其熒光光譜特性如下:激發(fā)波長(zhǎng)為532 nm,發(fā)射波長(zhǎng)為610 nm,滿足實(shí)驗(yàn)要求。

(1) 去離子水和熒光示蹤粒子混合溶液的配置 將濃度為1%的熒光示蹤粒子溶液按比例加入去離子水中,配置成濃度為0.02%的水-懸浮顆?；旌先芤篬8],再經(jīng)過(guò)磁力攪拌10 min,超聲振蕩15 min,形成混合均勻的水-懸浮顆粒混合溶液。

(2) 水包油乳液和熒光示蹤粒子混合溶液的配置 將一定量的油和乳化劑按2∶1的比例混合,選用十六烷基三甲基溴化銨作為乳化劑。利用磁力攪拌8 min,待混合均勻后,緩慢加入去離子水[9],再經(jīng)過(guò)磁力攪拌10 min,超聲振蕩8 min后得到粗乳液。將粗乳液按照上述步驟重復(fù)處理一次,即可制備出水包油乳液。將配置好的0.02%的示蹤粒子溶液加入水包油乳液中,經(jīng)磁力攪拌超聲振蕩均勻后,水包油乳液和熒光示蹤粒子的混合溶液配置完成。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 水包油乳液的模擬結(jié)果

當(dāng)Re=1 000時(shí),毛細(xì)管內(nèi)沿管長(zhǎng)方向不同位置處的速度矢量變化如圖4所示。由圖4可以看出,在R1和R2兩個(gè)彎管處,彎管外側(cè)壁處的速度矢量較集中,速度值較大,彎管處的離心力作用使得管內(nèi)流體向彎管外側(cè)壁聚集。由于R1和R2的彎管半徑不同,彎曲方向相反,使得兩處彎管截面的速度矢量場(chǎng)形態(tài)不一致。由彎管轉(zhuǎn)為直管時(shí),由于離心力消失,速度矢量逐漸向中間聚集,且呈對(duì)稱分布。當(dāng)經(jīng)過(guò)彎管R2時(shí),由于離心力方向相反,原先集中在R1外側(cè)壁的流體,在離心力的作用下逐漸向R2外側(cè)壁聚集。當(dāng)經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的一段直管時(shí),速度矢量場(chǎng)趨于穩(wěn)定,呈上下對(duì)稱式分布。當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)流體充分發(fā)展時(shí),其速度矢量圖呈現(xiàn)明顯的層流形態(tài)。另外,由于R2

注:A—R1入口處;B—彎管R1處;C—R1與R2之間的直管段入口處;D—R1與R2之間的直管段出口處;E—R2處;F—R2出口處;G—下游200 mm處;H—毛細(xì)管下游240 mm處;I,J,K,L—毛細(xì)管下游280 mm,300 mm,310 mm,320 mm處。

圖4不同位置處的速度矢量場(chǎng)變化

圖5給出了毛細(xì)管下游距離進(jìn)口320 mm處,不同Re下流動(dòng)充分發(fā)展后各截面上的速度矢量場(chǎng)。當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)Re在1 000～2 000時(shí),毛細(xì)管內(nèi)的平均速度為1.46～2.76 m/s。由圖5可以看出,當(dāng)1 000

注:圖下的數(shù)字代表Re的大小。

圖5毛細(xì)管內(nèi)充分發(fā)展段不同Re下的速度矢量場(chǎng)

4.2 水包油乳液實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用水包油乳液測(cè)得的毛細(xì)管內(nèi)充分發(fā)展段不同Re下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。橫軸v表示軸向速度的大小,縱軸x表示毛細(xì)管的直徑。由圖6可知,靠近毛細(xì)管壁面處速度很小,接近于零;管徑中心處速度最大。當(dāng)Re為1 000和1 500時(shí),軸向速度曲線近似呈拋物線分布;當(dāng)Re為2 000～2 500時(shí),管徑中心處的速度剖面開(kāi)始偏離拋物線分布,中心速度開(kāi)始變得平坦。這說(shuō)明流體的流動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)開(kāi)始由層流向紊流過(guò)渡。

圖7是毛細(xì)管內(nèi)水包油乳液在相同測(cè)量截面上不同Re下的無(wú)量綱軸向速度分布圖。其中,r/R表示無(wú)量綱坐標(biāo),v表示截面上每一層的平均速度,vmax表示截面中心處的最大速度。由圖7可以看出,當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)在管中心時(shí),即r=0時(shí),v/vmax=1;當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)在管壁附近時(shí),即r=0.8R附近時(shí),v/vmax接近于零。隨著Re的增大,當(dāng)Re在2 000左右時(shí),軸向速度分布與層流理論值[10]較接近,說(shuō)明圓形截面毛細(xì)管內(nèi)的臨界轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)約為2 000。

圖6 毛細(xì)管內(nèi)不同Re下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 毛細(xì)管內(nèi)無(wú)量綱軸向速度分布

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用Micro-PIV測(cè)量了當(dāng)量直徑為0.7 mm,長(zhǎng)度為375 mm的圓形截面玻璃毛細(xì)管內(nèi)水包油乳液在不同Re下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),并將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果與模擬結(jié)果相比較。結(jié)果顯示,兩者結(jié)果較接近,毛細(xì)管內(nèi)從層流到紊流的轉(zhuǎn)捩發(fā)生在Re=2 000左右,與宏觀尺度管內(nèi)流動(dòng)的臨界雷諾數(shù)接近,并未發(fā)現(xiàn)流動(dòng)轉(zhuǎn)捩提前的現(xiàn)象。