三支管平行微通道内气液两相流相分配特性实验研究

周密　汪双凤

摘 要：微通道的集成和放大对于微型反应器及散热器的开发具有重要意义。文章以高纯度氮气和质量分数为0.03%的SDS水溶液分别作为气相和液相工质，通过一系列可视化实验，研究了入口流型为弹状流和环状流时，在拥有一个主管（水力直径为0.6mm）与3个平行侧支管（水力直径为0.4mm）的平行微通道内气液两相流的相分配特性。实验结果表明，侧支管的相分配特性与入口流型密切相关。当入口流型为弹状流时，气相富集于中间的侧支管。当入口流型为环状流时，第一个支管中始终走液相，气液两相在后面两个支管中的分配则相对均匀。

关键词：相分配；气液两相流；平行微通道

引言

近年来，随着微加工技术的发展，在直径为微米级的槽道上开展流体实验的研究层见叠出。与常规尺度的流体流动相比，微流体技术具有它独特的学术价值与应用前景。比如，微通道一般具有比常规尺度高两个数量级以上的比表面积，因此使得流体的传热、传质能力大大增强[1]。作为一种结构简单易加工的微通道结构，封头-平行流支管被广泛应用于各种微型换热器及反应器中。然而，当气液两相流体从入口封头流经各个平行支通道时，各支通道中气液两相的不均匀分配会严重影响装置的性能。比如，对于换热器，流量分配不均将给蒸发器和冷凝器带来局部过热或过冷的问题[2]，对于反应器，反应物的不均匀分配将会影响出口的反应产物[3]。因此，研究气液两相流在平行微通道内的流动现象具有重要意义。

迄今为止，有关单个T型微通道内气液两相流相分配的实验及理论研究，中外学者已发表了不少论文[4-7]。Wang等[4]在水力直径为0.5mm的水平T型三通内实验研究了氮气-水两相体系的弹状流相分配特性。He等[5]在水力直径为0.5mm的水平T型微通道内实验研究了入口流型对氮气-水两相相分配的影响，实验发现，入口流型对侧支管的相分配现象有着显著影响。Azzi等[6]实验研究了水力直径为1mm的T型三通内空气-水两相流的相分配特性。研究表明，侧支管液相采出分率受气液两相入口表观速率的影响，随着进口液相速率的增加，侧支管液相采出分率降低。然而，有关平行微通道内气液两相流相分配的实验研究则还未见有文献报道，因此，文章对弹状流和环状流在拥有一个主管（水力直径为0.6mm）和三个侧支管（水力直径为0.4mm）的平行微通道内的相分配特性进行了实验研究。

1 实验系统及方法

1.1 实验系统

本实验系统由气液混合区、压力测试区、两相流可视化区、气液分离测量区四部分组成，如图1所示。

1.2 实验方法

实验在大气压及常温（26℃）下进行，实验过程中，微通道水平置于显微镜载物台上，气相由高压氮气瓶提供，经质量流量计控制输出后进入双T型混合器，液相由微型注射泵A、B控制输出后与高纯度氮气混合进入试验段。气液两相混合后在主管进口处重新分配进入下游支管，气液分离器出口的液体用电子天平实时测量，测量结果取小数点后四位，通过测量一定时间内液体的增量来计算液相流率。实验用秒表计时，实验结果为一段时间内的平均值。实验分离后的三个支管出口的气体分别进入三个皂膜流量计，推动气泡垂直上升，通过测定一段时间内气泡上升的高度（体积），得出各支管出口的气相体积流率。

1.3 实验流体

实验以高纯度氮气及质量分数为0.03%的SDS（十二烷基硫酸钠）水溶液作为气相和液相工质。SDS水溶液在实验条件下的物性参数如表1所示。

2 实验结果与讨论

2.1 入口流型观察

实验利用高速摄影仪拍摄到了弹状流和环状流两种稳定流型，如图2所示。每种流型分别选取5个实验点，为确定不同两相进口速率下的流型，所选实验点分别被标注到Chung P M和Kawaji M绘制的流型图3上。图中的圆形标出了本实验中的实验点。

2.2 气液两相进口速率对相分配的影响

2.2.1弹状流实验结果

实验选取5组数据点（0.723，0.134）、（0.723，0.268）、（0.723，0.40

2）、（1.526，0.268）、（2.249，0.268）单位：m/s，其中横纵坐标分别代表进口气、液相表观流率。

实验过程中，分别固定进口气（液）相表观速率，通过改变进口液（气）相速率，考察不同进口两相流率下的相分配状况，根据实验数据绘制得到的相分配曲线如图4、5所示。图中的横坐标表示支管序数，纵坐标分别表示从该支管抽出的气（液）相质量流量占入口气（液）相质量流量之比。

图4显示的是气相进口速率对各侧支管相分配的影响。由图可知，当入口流型为弹状流时，第一个侧支管只走液体，并且80%以上的液体始终富集于两侧的支管，随着气相进口速率的增加，更多液相进入第一个支管。对于气相而言，则始终是第二个支管富集，随着进口气相表观速率的增加，第二个支管中的气相富集程度明显降低。

液相进口速率对相分配的影响效果如图5所示。由图可知，气相进口速率一定，随着液相速率的增加，更多气相进入第二个支管，而更多液相走最后一个支管，这与固定进口液相表观速率得到的结论刚好相反。以上现象产生的原因可解释如下：一方面，由于弹状流的气液两相是以气弹和液弹的形式交替出现的，液相动量相对较小，更容易拐弯进入第一个侧支管；另一方面，各支管中的流动阻力存在明显差异，气液两相都倾向于进入流动阻力较小的支管，使得各支管中的气液两相分配严重不一致。

2.2.2 环状流实验结果

实验选取5组数据点（16.064，0.016）、（16.064，0.027）、（16.064，

0.054）、（11.245，0.027）、（20.08，0.027）单位：m/s，分别固定入口气（液）相流率，改变入口液（气）相流率，得到的相分配曲线分别如图6、7所示。

由图6可知，在进口流型为环状流的条件下，最后两个支管中相分配程度相对均匀。对于液相而言，大部分液相富集于后面两个支管，随着进口气相表观速率增加，更多液相进入第一个侧支管。对于气相而言，所有的气相均进入第二个和第三个侧支管，并且随着进口气相表观速率的增加，更多气相进入最后一个侧支管。

图7显示的是入口流型为环状流时，液相进口速率对两相分配的影响。由图可知，随着液相进口流率的增加，更多液相进入第三个侧支管，对于气相而言，则影响不太显著，这与固定液相表观速率时得到的结论也是刚好相反。以上现象产生的原因可解释如下：一方面，不同于弹状流，环状流中的气体是在管道中间高速运动的，液体被排挤到通道两侧，由于受到管壁摩擦减速作用影响较大，液体动量急速降低，因此相对于高速运动的气体，具有较小动量的液体优先从侧支管采出，第一个侧支管始终富集液体。

3 结束语

通过对弹状流和环状流在平行微通道内的相分配行为进行实验研究，可以得到如下结论： （1）当入口流型为弹状流时，气相富集于中间的支管，与此同时，两侧支管中则是更多液相富集。另一方面，固定进口液（气）相速率，随着气（液）相速率的增加（降低），更多的气相和液相分别进入第一个和第三个侧支管； （2）当入口流型为环状流时，气液两相始终相对均匀地富集于后面两个支管，第一个支管则始终走液相。此外，固定入口液（气）相表观速率，随着入口气（液）相速率的增加（降低），第二个侧支管中的气液两相采出分率均有降低。

参考文献

[1]Le Jun，Chen Guangwen，Yuan Quan，et al. Mass Transfer in gas-liquid flow in microchannels[J].CIESC Journal，2006，57（6）：1296-1303.

[2]J M Choi， W V Payne， P A Domanski.Effects of non-uniform refrigerant and air flow distributions on finned-tube evaporator performance， in： International Congress of Refrigeration， Washington， DC，2003：1-8.

[3]E V Rebrov， J C Schouten， et al. Single-phase fluid flow distribution and heat transfer in microstructured reactors[J].Chemical Engineering Science， 2011，66（7）：1374-1393.

[4]Wang S F， He K， Huang J Z. Phase splitting of a slug-annular flow at a horizontal micro-T-junction[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2011，54（1-3）：589-596.

[5]He K，Wang S F，Huang J Z.The effect of flow pattern on split of two phase flow through a micro-T-junction[J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2011，54（15-16）：3587-3593.

[6]Azzi A， Al-Attiyah A， Liu Q， Azzopardi B J， et al. Gas-liquid two phase flow division at a micro-T-junction[J].Chemical Engineering Science， 2010，65（13）：3986-3993.

[7]Stacey T ， Azzopardi B J ， Conte G， The split of annular two phase flow at a small diameter T junction [J].International Journal of Multi phase Flow， 2000，26（5）：845-856.

[8]Chung P M Y， Kawaji M.The effect of diameter on adiabatic two-phase flow characteristics in microchannels[J].International Journal of Multiphase Flow，2004，30（7-8）：735-761.