并列矩形微通道內(nèi)兩相流流型和壓降試驗(yàn)研究

周云龍 陳玉修 劉 旭

(1．東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院)

隨著自然科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展，微型化工的研究已經(jīng)成為一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。微米級(jí)的微通道研究也以其高效、靈活等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、石油、能源以及環(huán)境等行業(yè)中[1～3]。在化學(xué)工程領(lǐng)域方面，對(duì)于兩相流動(dòng)的研究主要是關(guān)于流型、壓降、傳熱及傳質(zhì)等方面的研究。特別是在微化工技術(shù)中，不同的流型會(huì)有不同的流動(dòng)機(jī)理和傳熱傳質(zhì)效果，氣液兩相流的壓降是極其重要的參數(shù)之一。

馬友光和劉瑋蒞對(duì)通道截面40μm×100μm、40μm×160μm的T型微通道；截面40μm×100μm，兩相入口夾角為120°的Y型微通道；截面40μm×100μm，兩相入口夾角為60°的Y型通道；截面40μm×100μm的兩相垂直型微通道內(nèi)的兩相流動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析[4]。在氣液兩相(空氣-去離子水)流動(dòng)的試驗(yàn)中觀察到了彈狀流、液環(huán)流和平行流。

聶晶堯等研究了當(dāng)量直徑為95.2μm微通道內(nèi)的壓降，采用均質(zhì)混合模型計(jì)算了該種微通道內(nèi)的壓降，并指出Cicchitti粘度公式可以進(jìn)行微通道內(nèi)的壓降計(jì)算[5]。Li J和Peterson G P研究了微通道當(dāng)量直徑為56μm的梯形、水平放置的微通道內(nèi)蒸汽-水的流動(dòng)特性，觀察到了氣泡流、波狀流和環(huán)狀流[6]。Singh S G等對(duì)于當(dāng)量直徑為140±2μm的微通道進(jìn)行了水蒸氣-水的壓降影響研究[7]。根據(jù)參考文獻(xiàn)，微通道內(nèi)氣-液兩相流觀察到的主要流型有：泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流、層狀流以及霧狀流等。

如今，國(guó)內(nèi)對(duì)于微通道的研究主要是以非圓截面Y型和單級(jí)或雙級(jí)T型通道為主。筆者主要研究了非圓截面U型并列(三通道)微通道內(nèi)空氣-水、酒精兩相流的流型以及壓降進(jìn)行對(duì)比性觀察和計(jì)算。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)中，氣-液兩相流的動(dòng)力設(shè)備采用型號(hào)為SDS-MP09醫(yī)用微量注射泵(單道)，輸出速率為0.1～1 200.0mL/h，注射速率精度為±2%(含機(jī)械精度±1%)。高速攝影儀采用瑞士Weinberger公司研發(fā)的Speed Cam Visario系統(tǒng)，高速攝影儀的最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻達(dá)到10 000 幀/s，可以十分清晰地拍攝兩相流的流型變化。光源采用6 400K色溫的三基色光管，光線亮度穩(wěn)定、無(wú)閃爍。設(shè)備之間采用直徑為2 mm的軟管連接，并用可凝固膠固定、密封。試驗(yàn)在室溫和常壓條件下進(jìn)行。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2微通道尺寸及形狀

文中微通道由浙江大學(xué)微分析實(shí)驗(yàn)室加工制作。微通道由上、下兩塊60mm×60 mm玻璃板鍵合而成，下層玻璃片采用光刻和刻蝕技術(shù)加工成不同尺寸和形狀的微通道，然后上層玻璃覆蓋到下層玻璃片上，通過(guò)鉆石打兩個(gè)直徑為2mm的孔作為微通道進(jìn)、出口。微通道的矩形截面尺寸為100μm×800μm(深×寬)。圖2中從左到右通道編號(hào)分別為微通道Ⅰ、微通道Ⅱ、微通道Ⅲ。

圖2 試驗(yàn)段示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1微通道內(nèi)兩相流流型

試驗(yàn)中，液相介質(zhì)分別為去離子水和酒精，氣相為空氣。筆者對(duì)液相不同時(shí)產(chǎn)生的流型進(jìn)行了對(duì)比。

圖3～5分別為微通道Ⅰ、微通道Ⅱ、微通道Ⅲ內(nèi)兩相流的流型。當(dāng)液相為去離子水時(shí)，并列微通道內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、波狀流和分層流；當(dāng)液相為酒精時(shí)，并列微通道內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、波狀流和分層流。

圖3 微通道Ⅰ內(nèi)兩相流型

圖4 微通道Ⅱ內(nèi)兩相流型

圖5 微通道Ⅲ內(nèi)兩相流型

當(dāng)液相不同時(shí)，微通道Ⅰ內(nèi)的流型變化不大，只是在空氣-酒精的兩相流動(dòng)中彈狀流的長(zhǎng)度不同，可能是由于液相粘度變大的緣故(圖3a)。圖4中，液相為酒精時(shí)微通道Ⅱ內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)波狀流。圖5中，微通道Ⅲ內(nèi)只出現(xiàn)了彈狀流?？傮w對(duì)比3個(gè)并列微通道可以看出，沿氣液進(jìn)口方向并列微通道內(nèi)的流型變化越來(lái)越單一，而且與液相介質(zhì)無(wú)關(guān)。流型的變化主要受到氣、液兩相的流量和流速的影響，而T型微通道(分支管)內(nèi)氣液兩相流相分離特性受到上游流型的影響[8]。本次試驗(yàn)中，水平母管出現(xiàn)的流型主要有分散泡狀流、泡狀流和分層流(圖6)。

圖6 水平母管內(nèi)流型

水平母管內(nèi)流型不同時(shí)，氣、液相在支管處產(chǎn)生的相采出分率不同，而且流型一定時(shí)，液相速率對(duì)于支管處產(chǎn)生的相采出率的影響較氣相速率大。氣、液相的采出率不同則直接影響了并列各支管內(nèi)的氣、液兩相流量和流速。并列微通道在試驗(yàn)時(shí)存在氣相停滯現(xiàn)象，當(dāng)水平母管中為泡狀流時(shí)，由于支管中流速和壓降的不同，在支管前段有氣泡的聚合現(xiàn)象出現(xiàn)，故導(dǎo)致各支管內(nèi)出現(xiàn)了不同的流型，如彈狀流、拉長(zhǎng)的彈狀流等流型。由于支管前段有測(cè)點(diǎn)，因此這種聚合現(xiàn)象的出現(xiàn)需要進(jìn)一步的研究分析是否與測(cè)點(diǎn)的影響有關(guān)。

本次試驗(yàn)中觀察到了穩(wěn)定的分層流，但是由于通道結(jié)構(gòu)等因素的影響，只在微通道Ⅰ、微通道Ⅱ中觀察到了穩(wěn)定的分層流型，Cubaud T等在垂直放置的微通道中沒(méi)有觀察到氣液兩相流動(dòng)的分層流型[9，10]。

馬友光和王東繼以空氣-乙醇為介質(zhì)在T型100μm×800μm豎直放置的微通道內(nèi)觀察到了彈狀流、液環(huán)-彈狀流、液環(huán)流、液環(huán)-分層流、分層流和波狀流[11]。馬友光和季喜燕在豎直放置的100μm×2000μm和100μm×200μm Y型微通道內(nèi)以空氣-乙醇為介質(zhì)的試驗(yàn)研究中，僅觀察到了彈狀流、液環(huán)流、分層流，并未觀察到泡狀流和波狀流[12]。

筆者在試驗(yàn)中觀察到了泡狀流和波狀流，但未觀察到液環(huán)-彈狀流和液環(huán)-分層流。其原因主要是單通道和并列通道的緣故。

2.2氣液兩相摩擦壓降

兩相流總壓力降Δp計(jì)算公式為：

Δp=Δpf+Δpc+Δpa+Δpg

式中 Δpa——沿程加速壓降；

Δpc——局部壓降；

Δpf——沿程摩擦壓降；

Δpg——重力壓降。

相對(duì)Δpf來(lái)說(shuō)，Δpc、Δpa可以忽略，對(duì)于微尺度和水平微通道內(nèi)重力壓降Δpg可以忽略，所以摩擦壓降接近兩相總體壓降[13～16]。

圖7為此次試驗(yàn)的總體壓降隨氣液速率變化的關(guān)系圖。從圖7中可以看出，壓降隨著氣相速率的增加而逐漸增大，在氣相速率較高時(shí)，壓降的變化趨勢(shì)相對(duì)更加明顯。液相速率增大時(shí)，壓降逐漸增大，液相速率對(duì)于壓降的影響較氣相速率的影響較大。

圖7 氣相速率與壓降的關(guān)系

把氣、液兩相流體當(dāng)作一種特殊的單相流體，采用平均粘度法來(lái)計(jì)算兩相流體的等效摩阻系數(shù)。分別在液相速率JL為0.017、0.052、0.174、0.278m/s的工況下采用不同的粘度計(jì)算模型計(jì)算出的壓降與氣相速率之間的關(guān)系，如圖8所示。粘度公式如下[17～19]：

a.試驗(yàn)測(cè)得值；

b.μTP=μL；

c.μTP=xμG+(1-x)μL；

圖8 不同粘度公式計(jì)算壓降與氣相速率關(guān)系

從圖8中可以看出，隨著氣、液相速率的增加，壓降逐漸增加，但是公式b預(yù)測(cè)壓降隨著氣相速率的增加壓降增加的趨勢(shì)減弱。圖8中的不同粘度模型計(jì)算的壓降都呈現(xiàn)出逐漸遞增的趨勢(shì)，圖中用公式d、a計(jì)算的值較為接近，也就是Mecadam粘度計(jì)算式和此次試驗(yàn)的測(cè)得值整體上相對(duì)較為接近，但是在氣相速率較大時(shí)的預(yù)測(cè)值仍然偏高，氣相速率較低時(shí)的預(yù)測(cè)值效果較好，但是范圍較小。利用公式b預(yù)測(cè)的壓降值在低液相速率時(shí)和公式a測(cè)得值較吻合。

圖9為試驗(yàn)值與不同分相流預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值對(duì)比圖。從圖9中可以得到：Chishlom的對(duì)試驗(yàn)段的整體壓降預(yù)測(cè)效果相對(duì)較好，都在30%之內(nèi)。其他模型的預(yù)測(cè)值效果較差，只有在低氣、液流速的時(shí)候在30%之內(nèi)。

圖9 試驗(yàn)值與分相流模型預(yù)測(cè)值對(duì)比

雖然Chishlom能夠相對(duì)較好地預(yù)測(cè)整體壓降，但是對(duì)于并列微通道整體壓降的理論研究需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)進(jìn)行理論分析。

3 結(jié)論

3.1當(dāng)液相為去離子水時(shí)，并列微通道內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、波狀流和分層流；當(dāng)液相為酒精時(shí)，并列微通道內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、波狀流和分層流。

3.2與均相流模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通過(guò)Mecadam粘度計(jì)算式預(yù)測(cè)的壓降值在低氣相速率時(shí)能較好地預(yù)測(cè)壓降，但是預(yù)測(cè)范圍非常小。用全液相粘度預(yù)測(cè)的壓降值在低液速時(shí)能夠較好地預(yù)測(cè)本試驗(yàn)中的整體壓降。

3.3分相流模型中Chishlom模型預(yù)測(cè)效果相對(duì)較好。其他所選模型中只有在低流速的時(shí)候其預(yù)測(cè)值在30%之內(nèi)。

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