Y型組合式微通道多相流流動(dòng)形態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

邱思聰， 孫旭光， 葉輝， 孫曉策

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所總體技術(shù)部， 北京 100072)

微通道設(shè)備憑借其極強(qiáng)的傳熱、傳質(zhì)能力，其高效的物質(zhì)混合效率比傳統(tǒng)設(shè)備高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[1]，能有效混合原本不相溶的氣液兩相混合物。微通道多相流的混合流動(dòng)廣泛應(yīng)用于石油化工、生物制藥、能源動(dòng)力等工程領(lǐng)域[2-3]。微通道相關(guān)課題具有極高的研究意義和廣闊的工程應(yīng)用前景[4-5]。

在過(guò)去的傳統(tǒng)微通道流動(dòng)理論中，微通道多采用降低管路直徑的方法，促進(jìn)多相流的相間混合，這會(huì)使得微通道單位時(shí)間內(nèi)處理流體的能力降低，與工業(yè)應(yīng)用中擴(kuò)大產(chǎn)量的需求相悖。在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中為了解決傳統(tǒng)小流量微通道的局限性，SAR(split-and-recombine)型微通道逐漸成為主流。SAR型微通道的主要特征為上游分裂成為兩個(gè)相等的分流，然后讓兩股流體在混合元件中互相沖擊，經(jīng)過(guò)多級(jí)串聯(lián)后形成分離-會(huì)聚-再分離的結(jié)構(gòu)。

中外學(xué)者針對(duì)SAR型微通道內(nèi)流動(dòng)特性開(kāi)展了大量研究。Chen等[6]比較了SAR微通道和傳統(tǒng)T型微通道的實(shí)際效果，發(fā)現(xiàn)SAR型微通道具備更強(qiáng)的傳質(zhì)效應(yīng)，提出了流體不同方向的匯聚與沖擊產(chǎn)生了更強(qiáng)的傳質(zhì)效果。Shaker等[7]對(duì)比了不同形狀的微通道的流動(dòng)特性，通過(guò)數(shù)值模擬研究了SAR型微通道內(nèi)部質(zhì)量傳遞特性，流體的分裂和再?zèng)_擊過(guò)程顯著增強(qiáng)了傳質(zhì)特性，這歸因于流體分裂后形成的較高的剪切流動(dòng)以及渦流現(xiàn)象。Kuson等[8]在Shaker等[7]的基礎(chǔ)上對(duì)“膠囊”形狀SAR微通道流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出了SAR型微通道需要更加細(xì)致的研究流動(dòng)結(jié)構(gòu)，以減少流動(dòng)死角出現(xiàn)，提高微通道的流動(dòng)效率。黃坤昆等[5]提出了通過(guò)多目標(biāo)粒子群算法等新方法進(jìn)行微通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)微通道內(nèi)流動(dòng)的傳熱性能最優(yōu)。在實(shí)際微通道設(shè)備中，管路往往處于封閉狀態(tài)，難以直接觀測(cè)到氣液多相流流動(dòng)。對(duì)于復(fù)雜微通道而言，在不同流量下，流道內(nèi)部的具體流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)參數(shù)需要通過(guò)數(shù)值模擬研究而得出。

現(xiàn)對(duì)Y型組合式微通道內(nèi)部多相流流動(dòng)特性進(jìn)行研究，采用高速全流場(chǎng)顯示技術(shù)獲取微通道流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，研究其不同流量下的氣液兩相流分布特性。通過(guò)對(duì)微通道內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬研究，獲取微通道內(nèi)部壓力分布特性，最終得到不同流型下Y型微通道的多相流混合性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用的高速攝像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)記錄媒介為低照度CMOS相機(jī)，記錄速度最高可達(dá)每秒100 000幀，實(shí)驗(yàn)中采用每秒3 000，采集時(shí)間為1 s。介質(zhì)通入系統(tǒng)包括氮?dú)馔ㄈ胙b置和水通入裝置，其中氮?dú)夂退鹘?jīng)由兩個(gè)入口分別引入微通道。氮?dú)馔ㄟ^(guò)減壓閥從氮?dú)夤掎尫牛?jīng)減壓閥流入質(zhì)量流量控制調(diào)節(jié)器，使壓力和流量保持穩(wěn)定，再由流量計(jì)引入微通道。水流出后通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)后再流入微通道。氮?dú)夂退髁鬟^(guò)微通道后，再排放到容器中。

本實(shí)驗(yàn)采用的微通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，微通道尺寸與擋板尺寸厚度為2.4 mm，喉口尺寸寬度為1.4 mm，擋板長(zhǎng)度為8 mm，擋板角度為60°。微通道流動(dòng)特征尺寸為毫米級(jí)，與工業(yè)應(yīng)用下的大口徑微通道為同一尺寸量級(jí)。

圖2 實(shí)驗(yàn)微通道幾何模型Fig.2 The shape of experimental microchannel

2 微通道的多相流流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

圖3顯示出微通道內(nèi)部區(qū)域劃分情況，分為混合加強(qiáng)區(qū)、拐角區(qū)、通道區(qū)、喉口區(qū)四部分，圖4顯示出微通道內(nèi)部流態(tài)隨著氣液流量比的改變，主要可以分為泡狀流[圖4(a)]、彈狀流[圖4(b)]、環(huán)狀流[圖4(c)]。隨著氣液流量比的增加，氣液流態(tài)會(huì)經(jīng)歷泡狀流-彈狀流-環(huán)狀流的流動(dòng)狀態(tài)。

1為氮?dú)夤蓿?為減壓閥；3為質(zhì)量流量控制調(diào)節(jié)器；4為水源；5為轉(zhuǎn)子流量計(jì)；6為微通道；7為光照燈；8為觀測(cè)設(shè)備；9為PC計(jì)算機(jī)；10為排放容器；入口為2 mm直徑的圓管，共兩個(gè)，分別通入水和氮?dú)猓怀隹谑?個(gè)2 mm直徑的圓管出口；3×11指 的是整個(gè)微通道裝置共有3列，每一列有11個(gè)反應(yīng)腔，形成一個(gè)33個(gè)反應(yīng)腔的S型串聯(lián)圖1 高速攝像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 High-speed camera experimental equipment

隨著氣液流量比從0開(kāi)始增加，最初出現(xiàn)泡狀流，此時(shí)液相流量較大，氣相流量較小。流型為氣泡尺寸小于管路直徑，且由于存在流動(dòng)不穩(wěn)定性，氣泡會(huì)出現(xiàn)大小不一的流動(dòng)形態(tài)。由于氣泡直徑小于管路直徑，氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡也不一定在管路中軸線(xiàn)上，會(huì)出現(xiàn)一定的隨機(jī)偏離，如圖5所示。

圖3 微通道流體區(qū)域劃分Fig.3 The region division of microchannel

圖4 微通道內(nèi)不同流動(dòng)形態(tài)Fig.4 Three different flow patterns in microchannel

圖5 泡狀流典型工況(液相流量100 mL/min， 氣相流量300 mL/min，氣液流量比0.33)Fig.5 Typical case of bubbly flow (liquid phase 100 mL/min, gas phase 300 mL/min, flow ratio 0.33)

如圖6所示，當(dāng)流量比大于1時(shí)，氣泡逐步變大并且發(fā)生聚并，管內(nèi)形成彈狀流流態(tài)，其特點(diǎn)為微通道內(nèi)部出現(xiàn)水氣相間的流型，在拐角區(qū)，氣相以彈狀氣泡的形式存在，并且不同彈狀氣泡間徑向半徑相同，彈狀氣泡占據(jù)流道的整個(gè)橫截面，長(zhǎng)度各異。

如圖7所示，當(dāng)氣液流量比大于1.5時(shí)，管路內(nèi)部氣泡聚并融合之后，形成管壁上的一層水膜，氣相形成連續(xù)相而收到水膜包裹，形成環(huán)狀流，環(huán)狀流中液相形成水霧狀，與氣相產(chǎn)生較劇烈的混合效果。

圖6 彈狀流典型工況(液相流量200 mL/min， 氣相流量200 mL/min，氣液流量比1)Fig.6 Typical case of slug flow (liquid phase 200 mL/min, gas phase 200 mL/min, flow ratio 1)

圖7 環(huán)狀流典型工況(液相流量 500 mL/min，氣相流量200 mL/min，氣液流量比2.5)Fig.7 Typical case of annular flow (liquid phase 500 mL/min, gas phase 200 mL/min, flow ratio 2.5)

3 數(shù)值模擬研究

3.1 模型及邊界條件

為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，模型的幾何尺寸與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３忠恢隆Ｓ?jì)算中采用質(zhì)量流量入口和壓力出口作為邊界條件，通道壁面采用絕熱、無(wú)滑移的固壁條件。如圖8所示，該結(jié)構(gòu)與圖3幾何尺寸保持相同。由于研究對(duì)象是在長(zhǎng)和寬方向的尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸，因此選取二維數(shù)值仿真方法。

如圖9所示，劃分8種密度不同的網(wǎng)格數(shù)量，通過(guò)界面面積參數(shù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，最終選取13×104的網(wǎng)格數(shù)量開(kāi)展研究。

圖8 總體網(wǎng)格劃分Fig.8 Fluid domain mesh generation

圖9 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.9 Grid-independent verification

3.2 計(jì)算模型及驗(yàn)證

對(duì)于內(nèi)部存在著多相混合流動(dòng)的微通道而言，氣液兩相混合流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果的精確性驗(yàn)證可以依靠仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)CLSVOF多相流模型[9-12]與k-ωSST湍流模型[13-14]結(jié)合的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較的方式驗(yàn)證該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

如圖10所示，氣相與液相分別從不同的入口進(jìn)入管路中，管道直徑為1 mm，長(zhǎng)度為15 mm，液相與氣相的流速分別為0.3 m/s和0.15 m/s。

圖11給出了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較，可以看出，數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果在捕捉氣液相界面方面效果顯著，并且對(duì)氣液分離狀態(tài)有著較高的計(jì)算精度，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)拍攝結(jié)果基本相符，CLSVOF多相流模型與k-ωSST湍流模型相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方式對(duì)微通道中的氣液兩相流問(wèn)題有較高的計(jì)算精度。

圖10 多相流驗(yàn)證模型網(wǎng)格Fig.10 Multiphase Flow Validation Model Grid

圖11 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.11 Comparison of numerical simulation results with experimental results

3.3 流動(dòng)形態(tài)分析

圖12～圖14給出了截取的部分?jǐn)?shù)值模擬結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，在擋板前的混合加強(qiáng)區(qū)(圖4)內(nèi)存在復(fù)雜的氣液交界面，這一現(xiàn)象在數(shù)值模擬結(jié)果中體現(xiàn)的較為充分。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果中拐角區(qū)內(nèi)部，氣泡逐漸從破碎的小氣泡群匯聚成大氣泡，并且在通道區(qū)中流動(dòng)呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，這一特征同樣在數(shù)值模擬結(jié)果中得到印證。數(shù)值模擬結(jié)果可以代表實(shí)驗(yàn)中的流動(dòng)狀態(tài)。圖3所示的不同流動(dòng)區(qū)域中，混合加強(qiáng)區(qū)內(nèi)的氣液混合狀態(tài)和剪切流動(dòng)劇烈程度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，混合加強(qiáng)區(qū)內(nèi)氣液高效混合區(qū)域的大小是影響Y型微通道氣液混合狀態(tài)的關(guān)鍵。

紅色區(qū)域?yàn)闅庀?藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐合?綠色為氣液混合物圖12 泡狀流氣相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.12 Volume of fluid comparison of bubbly flow

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提取流道內(nèi)部沿流動(dòng)方向的壓力分布特性。圖13給出了數(shù)值模擬結(jié)果中，不同流型流道壓力隨微通道位置變化曲線(xiàn)。所研究的Y型微通道結(jié)構(gòu)分為3個(gè)腔，每一個(gè)腔之間通過(guò)極小的喉口結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。

如圖15所示，根據(jù)流道位置關(guān)系，3種流型都呈現(xiàn)出較為明顯的階梯狀壓力分布，這是由Y型微通道的結(jié)構(gòu)特性決定的。每個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)部流動(dòng)較為光順，反應(yīng)腔內(nèi)部等徑流道設(shè)計(jì)的特征使得在反應(yīng)腔內(nèi)部壓力波動(dòng)較小。每個(gè)反應(yīng)腔均與喉管相連，喉管的幾何結(jié)構(gòu)為先縮窄后擴(kuò)張的流道形狀，其原理本質(zhì)與文丘里管相同。這一原理體現(xiàn)在Y型微通道中，即為反應(yīng)腔流道內(nèi)部(包括混合加強(qiáng)區(qū)，拐角區(qū)，通道區(qū))壓力波動(dòng)不大，經(jīng)過(guò)喉口區(qū)后，形成階梯狀壓力下降。另外值得注意的特征在于，每段喉口位置壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)極小值后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值波峰，這是由于高速多相流流體沖擊擋板，造成局部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能的現(xiàn)象，即混合加強(qiáng)區(qū)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)小區(qū)域的高壓區(qū)。

紅色區(qū)域?yàn)闅庀?藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐合?綠色為氣液混合物圖13 彈狀流氣相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.13 Volume of fluid comparison of slug flow

紅色區(qū)域?yàn)闅庀?藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐合?綠色為氣液混合物圖14 環(huán)狀流氣相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.14 Volume of fluid comparison of annular flow

圖15 微通道沿流道壓力分布Fig.15 Pressure distribution along the microchannels

4 結(jié)果與分析

如圖16所示，研究通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方法測(cè)定了氣相流量和液相流量100～600 mL/min的36組工況，對(duì)每種工況進(jìn)行了氣液流型的鑒別。

當(dāng)氣液流量比增大到一定程度后，氣相會(huì)逐漸會(huì)阻礙液體通過(guò)喉口區(qū)域，導(dǎo)致整體Y型內(nèi)沒(méi)有液相存在，因此Y型微通道中未發(fā)現(xiàn)“混攪流”的流動(dòng)現(xiàn)象。

圖16 氣液流型分布Fig.16 Pattern distribution of gas-liquid flow

取混合加強(qiáng)區(qū)內(nèi)氣液混合區(qū)域面積A橫向尺寸為δX，縱向尺寸為δY圖17 高效混合區(qū)域示意圖Fig.17 Schematic diagram high-efficiency mixing area

A=δXδY

(1)

(2)

圖18 不同流型混合區(qū)域變化Fig.18 Variation of mixing area with different flow patterns

圖19 時(shí)均氣液高效混合區(qū)域瀑流圖Fig.19 Waterfall diagram of time-averaged high-efficiency gas-liquid mixing area

5 結(jié)論

基于高速攝像實(shí)驗(yàn)與水動(dòng)力學(xué)仿真相結(jié)合的研究方法，研究了微通道內(nèi)部氣液兩相流的流動(dòng)形態(tài)和規(guī)律。通過(guò)對(duì)氣液相間面積進(jìn)行了提取、分析和計(jì)算，建立了流動(dòng)形態(tài)隨氣液兩相流量變化的圖譜。通過(guò)對(duì)36組典型實(shí)驗(yàn)條件的結(jié)果分析，得到了典型流量工況下不同氣液流量比的氣液兩相流混合強(qiáng)度和狀態(tài)分布。在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得最強(qiáng)的氣液混合效果，SAR類(lèi)微通道應(yīng)控制處于彈狀流與環(huán)狀流之間的過(guò)渡流量區(qū)域，以獲得相對(duì)較大的壓降特性以及多相流混合性能。