基于Micro-PIV的毛細管內流場的可視化研究

田海棟, 劉 方, 劉 江, 陳 強

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

微通道是指當量直徑為10～1 000 μm的通道。了解微通道內部的流體流動和傳熱特性,是設計高效、緊湊及傳熱性能優良的換熱器的關鍵。觀測流體內部的流動情況是研究和設計微通道的基礎。對于微通道內流體的流動,已經取得了許多重要的研究結果。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時入口區域的速度發展情況,并提出了新的入口長度關聯式。HAO P F等人[2]利用Micro-PIV研究了流體流過矩形微通道側壁矩形粗糙元附近的流場情況,發現由層流向紊流轉變發生在雷諾數Re為900～1 100之間。WALSH P A等人[3]將Micro-PIV應用于納米流體,研究了納米流體對通道內局部流動的影響,有助于開發或驗證納米流體在傳熱增強方面相關的理論。DAI Z H等人[4]利用Micro-PIV對波浪管的局部速度場進行了測量,得到了波浪管中的渦旋結構。 BALASUBRAMANIAM L等人[5]研究了低雷諾數下的螺旋微通道中混合流體的性能,發現了多種渦結構。劉江[6]利用Micro-PIV對處于風洞中的集沙儀的動力特性進行了研究,結果表明,主流速度的變化對集沙儀的動力特性的影響可忽略不計。

本文利用Micro-PIV對毛細管內水包油乳液的流場結構進行了實驗研究,同時運用FLUENT軟件對毛細管內的流場進行了模擬,研究了毛細管充分發展段內流體的流動狀態從層流到湍流轉捩的臨界雷諾數。

1 實驗裝置

1.1 毛細管的幾何結構

實驗中圓截面毛細管所用材料為石英玻璃,具體的截面尺寸如表1所示。

表1 毛細管的結構尺寸 mm

毛細管的俯視圖如圖1所示。

圖1 毛細管的俯視圖

實驗中Re的計算公式為

(1)

(2)

(3)

η=η0(1+2.5φ)[7]

(4)

式中:Ac——毛細管的流動截面積,mm2;

P——潤濕周長,mm;

d——毛細管直徑,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數。

1.2 MicroPIV系統原理及操作步驟

毛細管內流場的測量裝置如圖2所示。

圖2 實驗測量裝置示意

本文利用德國LaVision公司生產的Micro-PIV對水平放置的毛細管內水包油乳液的流動特性進行了觀察和研究。在實驗開始前,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。實驗時,首先開啟雙脈沖激光器的電源,此時不可打開CCD相機,以防激光損毀CCD相機的芯片,導致設備損壞(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相機的開啟。待含有熒光示蹤顆粒的水包油乳液在毛細管內穩定流動后,通過軟件控制雙脈沖激光器照亮毛細管中觀察范圍內的熒光示蹤粒子,并用CCD高速攝像機拍攝微通道內水包油乳液流動時的流場圖像,用軟件記錄下來。最后,利用PIV軟件對圖像進行處理,得到水包油乳液在毛細管內的矢量場分布。

實驗中,將毛細管固定在顯微鏡的載物臺上,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管中,并在出口處用燒杯收集實驗過的溶液。通過改變注射泵的流量設置參數來調節水包油乳液進入毛細管的流量。

2 數值模擬

2.1 物性參數

去離子水和導熱油的物性參數如表2所示。

表1 去離子水和導熱油的物性參數

2.2 網格劃分

利用GAMBIT軟件對毛細管進行幾何結構的繪制和網格劃分,如圖3所示。進行網格劃分時,采用六面體結構化網格。

圖3 毛細管網格分布

2.3 數值模擬方法

本文利用FLUENT軟件對玻璃毛細管內水包油乳液的流動進行模擬。將水包油乳液看做單相流,在Re為1 000～5 000范圍內進行計算。當Re為1 000～2 500時,采用層流模型進行模擬計算;當Re為3 000～5 000時,采用k-ε模型進行計算。采用SIMPLE算法對無量綱控制方程進行求解,動量方程采用二階迎風格式,以提高計算精度。因實驗過程中不涉及能量的傳遞,所以能量方程處于關閉狀態。當殘差小于10-5時,動量方程視為計算收斂。

2.4 邊界條件

進口條件設置為速度入口,速度大小依據Re來確定。出口條件設置為壓力出口,壁面條件設置為無滑移邊界條件。

3 混合溶液的配置

實驗所用的示蹤粒子溶液中,粒子材質為聚苯乙烯,粒徑為1 μm,質量濃度為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出紅光,其熒光光譜特性如下:激發波長為532 nm,發射波長為610 nm,滿足實驗要求。

(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-懸浮顆粒混合溶液[8],再經過磁力攪拌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],再經過磁力攪拌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 實驗結果與討論

4.1 水包油乳液的模擬結果

當Re=1 000時,毛細管內沿管長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R2兩個彎管處,彎管外側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流體向彎管外側壁聚集。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形態不一致。由彎管轉為直管時,由于離心力消失,速度矢量逐漸向中間聚集,且呈對稱分布。當經過彎管R2時,由于離心力方向相反,原先集中在R1外側壁的流體,在離心力的作用下逐漸向R2外側壁聚集。當經過相當長的一段直管時,速度矢量場趨于穩定,呈上下對稱式分布。當毛細管內流體充分發展時,其速度矢量圖呈現明顯的層流形態。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—毛細管下游240 mm處;I,J,K,L—毛細管下游280 mm,300 mm,310 mm,320 mm處。

圖4不同位置處的速度矢量場變化

圖5給出了毛細管下游距離進口320 mm處,不同Re下流動充分發展后各截面上的速度矢量場。當毛細管內Re在1 000～2 000時,毛細管內的平均速度為1.46～2.76 m/s。由圖5可以看出,當1 000

注:圖下的數字代表Re的大小。

圖5毛細管內充分發展段不同Re下的速度矢量場

4.2 水包油乳液實驗結果

采用水包油乳液測得的毛細管內充分發展段不同Re下的實驗結果如圖6所示。橫軸v表示軸向速度的大小,縱軸x表示毛細管的直徑。由圖6可知,靠近毛細管壁面處速度很小,接近于零;管徑中心處速度最大。當Re為1 000和1 500時,軸向速度曲線近似呈拋物線分布;當Re為2 000～2 500時,管徑中心處的速度剖面開始偏離拋物線分布,中心速度開始變得平坦。這說明流體的流動狀態已經開始由層流向紊流過渡。

圖7是毛細管內水包油乳液在相同測量截面上不同Re下的無量綱軸向速度分布圖。其中,r/R表示無量綱坐標,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,當流體質點在管中心時,即r=0時,v/vmax=1;當流體質點在管壁附近時,即r=0.8R附近時,v/vmax接近于零。隨著Re的增大,當Re在2 000左右時,軸向速度分布與層流理論值[10]較接近,說明圓形截面毛細管內的臨界轉捩雷諾數約為2 000。

圖6 毛細管內不同Re下的實驗結果

圖7 毛細管內無量綱軸向速度分布

5 結 語

本文利用Micro-PIV測量了當量直徑為0.7 mm,長度為375 mm的圓形截面玻璃毛細管內水包油乳液在不同Re下的流場結構,并將實驗測得的結果與模擬結果相比較。結果顯示,兩者結果較接近,毛細管內從層流到紊流的轉捩發生在Re=2 000左右,與宏觀尺度管內流動的臨界雷諾數接近,并未發現流動轉捩提前的現象。