圓形微通道結(jié)構(gòu)多相流流動形態(tài)試驗及數(shù)值模擬研究

邱思聰，孫旭光，葉輝，孫曉策

(中國北方車輛研究所總體技術(shù)部，北京 100072)

0 前言

微通道設(shè)備憑借其極強(qiáng)的傳熱、傳質(zhì)能力，其物質(zhì)混合效率比傳統(tǒng)設(shè)備高2～3個數(shù)量級，能有效混合原本不相溶的氣、液、固態(tài)顆粒等多相混合物。微通道多相流的混合流動現(xiàn)象廣泛存在于機(jī)床液壓、機(jī)械制造、石油化工、生物制藥、能源動力等工程領(lǐng)域。微通道多相流相關(guān)課題具有極高的研究意義和廣闊的工程應(yīng)用前景。

在生產(chǎn)應(yīng)用中，為解決傳統(tǒng)微通道設(shè)備單位時間產(chǎn)量較低的局限性，SAR型(Split-and-Recombine)微通道逐漸成為工業(yè)應(yīng)用主流。SAR型微通道的主要特征為上游分裂成為多股分流，然后讓兩股流體在混合元件中互相沖擊，經(jīng)過多級串聯(lián)后形成分離—匯聚—再分離的結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)微通道，SAR型微通道設(shè)備具備混合效率更高、處理流體流量更大等優(yōu)點。在實際微通道設(shè)備中，管路往往處于層層封閉狀態(tài)，難以直接觀測到氣液多相流流動。復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)部流動已成為研究熱點，如對心形微通道構(gòu)型內(nèi)多相流流動的研究表明，毫米量級尺寸內(nèi)的大流量微通道設(shè)備內(nèi)存在大量剪切流動現(xiàn)象，而這些剪切流動現(xiàn)象正是復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道可以具備優(yōu)良多相流混合效能的原因。對于復(fù)雜微通道而言，在不同邊界條件下，微通道流道內(nèi)部流體的具體流動狀態(tài)和流動參數(shù)需要通過實驗和數(shù)值模擬研究相結(jié)合的方法得出。

本文作者采用實驗方法研究圓形微通道結(jié)構(gòu)內(nèi)，在不同條件下的氣液兩相流流動形態(tài)。通過實驗研究不同條件下微通道內(nèi)部氣液流動形態(tài)變化，研究內(nèi)部氣液兩相流的剪切流動分布和變化情況。

1 微通道實驗設(shè)置

1.1 圓形微通道實驗平臺

圖1所示為圓形微通道實驗平臺。工作流體為氮氣和水，實驗中氮氣和水流經(jīng)由兩個入口引入圓形微通道設(shè)備。水流量通過轉(zhuǎn)子流量計測量。氮氣和水流流過微反應(yīng)器的微通道。由鏑燈、高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)計算機(jī)組成的高速攝像機(jī)系統(tǒng)用于觀察和記錄微通道中的流動形態(tài)。

圖1 測試設(shè)備示意

1.2 微通道反應(yīng)器模型

實驗中使用兩種不同的微通道設(shè)備，兩個微通道中擋板的大小不同。微通道長560 mm，厚30 mm。流體區(qū)域長540 mm，厚5 mm。擋板橫向?qū)挾葹? mm的微反應(yīng)器稱為M05；擋板橫向?qū)挾葹?0 mm的微反應(yīng)器被稱為M10。

研究中流向條件設(shè)為正向和反向，以確定微反應(yīng)器中兩個相反的流動方向。 如圖2所示，當(dāng)流動沖擊塊的凸面時，流向被稱為正向流動，當(dāng)流動沖擊塊的凹面時，被稱為反向流動。

圖2 正向和反向流動示意

2 圓形微通道多相流流動形態(tài)實驗研究

不同擋板朝向?qū)α鲃犹匦缘挠绊懭鐖D3所示?？芍涸谡蛄鲃庸r中，來流沖擊擋板凸面，擋板僅改變氣泡流動路徑，氣泡快速隨著凸面擋板外沿流向下游，產(chǎn)生少量的聚并和分離；在反向流動工況中，來流沖擊擋板凹面，擋板前方聚集有大量氣泡，氣泡彼此沖擊并在擋板處變形。

由圖3可知：當(dāng)改變氮氣流量，從0.13 L/min增加到1.02 L/min時，隨著流量增加，氣泡會從單個小氣泡狀態(tài)逐漸增大，并在擋板處產(chǎn)生氣泡的聚并和分離，流量越大時擋板處氣泡的聚并分離現(xiàn)象越嚴(yán)重，氣液兩相流在此處產(chǎn)生了較為劇烈的混攪現(xiàn)象。

圖3 不同擋板朝向?qū)α鲃犹匦缘挠绊?水流量為0.167 L/min)

如圖3所示，在垂直放置反向流動中，隨著氣體流量的增加，氣泡的撞擊、擠壓和變形變得更加劇烈。由于氣泡撞擊擋板的凹面，凹面內(nèi)部會對氣泡產(chǎn)生滯留作用，氣泡會在此產(chǎn)生更大的聚集，并在擋板側(cè)面的流道處產(chǎn)生分裂。

圖4所示為水流流量為10 L/h，氮氣流量為0.13、0.25和0.5 L/min時，M05和M10中的流動形態(tài)。兩列Horizontal中重力垂直于流動方向，兩列Vertical中流動方向逆向于重力方向；擋板后面都存在一個停滯區(qū)。水平和垂直放置微反應(yīng)器停滯區(qū)域的差異：水平放置的停滯區(qū)域由氣泡組成，垂直放置的停滯區(qū)域主要是水流集聚區(qū)。

圖4 重力對流動形態(tài)影響

M05和M10豎直流動工況如圖5所示。氣液多相流由下方流向上方，氮氣流量1.02 L/min。在M05中，氣泡很容易地穿過擋板與反應(yīng)器腔壁之間間隙，并且變形很小，氣泡仍呈現(xiàn)為球形狀態(tài);在M10中，氣泡穿過間隙較為困難并且變形量很大。

圖5 氣泡分別穿過M05、M10的擋板兩側(cè)縫隙

3 圓形微通道多相流數(shù)值模擬研究

微通道的多相流流動存在較強(qiáng)的剪切流動特性，因此需要針對不同微通道反應(yīng)器進(jìn)行具體的數(shù)值仿真，得到內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步研究微通道內(nèi)流動的具體狀態(tài)，并提出一整套適用于計算復(fù)雜通道內(nèi)部氣液兩相流運動情況的方法。

3.1 數(shù)值計算模型選擇

剪切應(yīng)力輸運模型(Shear Stress Transport)簡稱為SST-模型，其控制方程為

(1)

(2)

式中:表示由于速度梯度引起的湍動能源項；和表示和的對流項；和表示由于湍流引起的和的有效擴(kuò)散項；SST-模型相較于標(biāo)準(zhǔn)-模型多了一組交叉對流項，這使得湍流黏度中考慮了剪切應(yīng)力的傳播。SST-模型結(jié)合了-模型在近壁區(qū)計算的優(yōu)勢和-模型在遠(yuǎn)壁面區(qū)域計算的優(yōu)勢，可以通過將它們?nèi)砍艘曰旌虾瘮?shù)然后再相加來獲得該模型。Y形反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通道尺寸不固定，SST-優(yōu)良的幾何適應(yīng)性可以在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中得到較為精確的湍流計算結(jié)果。

多相流模型采用CLSVOF模型，該方法結(jié)合了VOF方法與Level-Set邊界計算，在計算不可壓縮的多相流體時，可以精確捕捉相間界面。傳統(tǒng)Level-Set模型通過求解網(wǎng)格到界面的距離來判斷該位置的相。計算相界面精準(zhǔn)，但多次迭代后質(zhì)量可能不守恒。

(3)

其中:[,()]為從網(wǎng)格的中心到相界面()的距離函數(shù)。

采用VOF模型計算函數(shù)，利用物理性質(zhì)求解計算域的兩相分布，時刻滿足質(zhì)量守恒，但在曲率較大、變化劇烈的網(wǎng)格處會出現(xiàn)精度下降和計算發(fā)散問題。

(4)

式中：為單元中流體體積；為單元體積；=1時為副相，=0時為主相。

CLSVOF方法所有流體共享速度場、湍流場等。在均質(zhì)多相流中，所有流體以及溫度和湍流等相關(guān)領(lǐng)域共享一個共同的流場。這允許對多流體模型進(jìn)行一些簡化，形成均質(zhì)模型，并用Level-Set方程控制界面計算，保證VOF模型計算結(jié)果的真實準(zhǔn)確。CLSVOF方法是較為精確的多相流計算模型，其計算過程如圖6所示。

圖6 CLSVOF計算流程

如圖7所示，不同潤濕性對材料表面氣液兩相流形態(tài)有較大影響，因此應(yīng)考慮壁面材料的表面潤濕性對多相流流態(tài)的影響。壁面三相接觸角計算公式為

圖7 壁面接觸角

(5)

式中：、、分別代表氣固、液固和氣液相界面的自由能。經(jīng)計算，文中表面張力與表面潤濕性共同影響下水、氮氣、鋁的三相接觸角為36°。

3.2 微通道內(nèi)部氣液流動結(jié)果與分析

通過計算復(fù)雜流道內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，可以得到氣液兩相流在流道內(nèi)部的流動狀態(tài)。為減弱入口效應(yīng)對流動的沖擊，結(jié)果取后兩個反應(yīng)腔的數(shù)值仿真結(jié)果。

圖8所示為微通道內(nèi)不同時刻氣液分布，圖中紅色代表氣相，藍(lán)色代表液相，綠色為氣液交界面。為0.02～0.021 s時，氣泡流由喉部噴出，向擋板前側(cè)運動；為0.022～0.023 s時，擋板左側(cè)流道通過氣泡，氣泡發(fā)生形變同時分裂成為兩個小氣泡；為0.024～0.026 s時，氣泡流流過擋板向下游流動，流速減慢，同時擋板后側(cè)有一個相對較大的區(qū)域無氣泡存在。由圖8可知：隨著氣液流動從下向上的過程，氣泡由喉部進(jìn)入擋板前部的混合區(qū)域，由于流道變寬，流速變緩，氣泡由圓形逐漸變扁形成細(xì)長形狀氣泡。細(xì)長形氣泡在擋板側(cè)部流道發(fā)生分裂，分裂出數(shù)個極小的微形氣泡以及1～3個相對較大的氣泡團(tuán)；氣泡流通過擋板后隨著水流流動，微小氣泡快速向上運動，較大的氣泡則運動相對緩慢，并發(fā)生一定的氣泡聚并現(xiàn)象。

圖8 氣液流動不同時刻形態(tài)(氣液比)

圖9所示為壓力、流線分布。由圖9(a)可知：氣泡流通過喉管后沖擊擋板，擋板單側(cè)區(qū)域存在中低速的混合區(qū)，平均為1 m/s；高速流體分為兩股，順著擋板兩側(cè)流道沿著反應(yīng)腔側(cè)壁高速流向下游，速度為2.5 m/s；擋板前側(cè)中低速混合區(qū)域內(nèi)存在漩渦，漩渦內(nèi)氣液混合效果較好，氣液邊界變形劇烈且發(fā)生氣泡的變形和分裂、聚并現(xiàn)象；擋板側(cè)面流道由于形成縮放管路，流速在擋板側(cè)面達(dá)到最大3 m/s，且氣泡發(fā)生拉長、分裂；在擋板后側(cè)出現(xiàn)了低速流動區(qū)域，流動速度低于0.5 m/s，且存在漩渦并形成流動停滯區(qū)域。由圖9(b)可知：壓力最高的區(qū)域位于擋板前側(cè)，氣液兩相流在擋板前側(cè)速度低而壓力高，氣液交界面變化劇烈，擋板前后壓差為1 327 Pa。

圖9 壓力、流線分布

4 結(jié)論

建立了復(fù)雜微通道內(nèi)部全流場流動顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高速攝影系統(tǒng)和介質(zhì)通入系統(tǒng)兩部分組成，實現(xiàn)了微通道內(nèi)部氣液兩相流綜合測量。開展了微通道氣液多相流流動形態(tài)的實驗研究，以圓形微通道為研究對象，對微通道內(nèi)氣液多相流非定常流動進(jìn)行了系統(tǒng)的測量分析。結(jié)論如下：

(1)重力對微通道內(nèi)部流動的影響：當(dāng)重力垂直于流動方向時，會發(fā)生氮和水的分層現(xiàn)象，水相下沉、氮氣上浮，其氣液混合效果較差，內(nèi)部剪切流動現(xiàn)象不明顯；當(dāng)重力與水流方向平行時，水氣混合較好；

(2)結(jié)構(gòu)對微通道內(nèi)部流動的影響：當(dāng)凹面面向流向(反向)時，氣泡在擋板的前面相互撞擊、互相擠壓變形，產(chǎn)生了大量剪切流動現(xiàn)象；當(dāng)凸面面向流向(正向)時，擋板只是改變了氣泡的流動路徑，剪切流動現(xiàn)象不明顯；

(3)流量對微通道內(nèi)部流動的影響：隨著氮氣流量的增加，氣泡的尺寸、速度和體積分?jǐn)?shù)增加，氣泡數(shù)量增加，有助于增大氣液混合效果。

對微通道內(nèi)部多相流數(shù)值計算方法進(jìn)行了研究。該方法包括基本控制方程、CLSVOF多相流模型、SST-湍流模型、壁面接觸角控制等；增加了微通道內(nèi)氣液兩相界面的數(shù)值模擬準(zhǔn)確度，實現(xiàn)了對微通道內(nèi)湍流流動的精準(zhǔn)捕捉，可顧及復(fù)雜微通道流道內(nèi)部不同區(qū)域的流動特性，綜合考慮了湍流對化學(xué)反應(yīng)傳質(zhì)過程的影響機(jī)制。結(jié)果表明：有擋板的復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道加劇了流體剪切流動特性，形成了氣泡的分離、匯聚、再分離過程，大大促進(jìn)了氣液兩相流的混合效果。