矩形微通道内气液两相流型及其转换边界的实验研究(2011年)资源-CSDN文库

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第 25 卷第 6 期高校化学工程学报

No.6

Vol.25

2011 年 12 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Dec.

2011

文章编号：1003-9015(2011)06-0916-07 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1141.TQ.20111104.1636.006.html

矩形微通道内气液两相流型及其转换边界的实验研究

刘谦

, 张颂红

, 沈绍传

, 贠军贤

, 姚克俭

, 徐林红

2,3

(1. 浙江工业大学化学工程与材料学院绿色合成技术国家重点实验室培育基地, 浙江杭州 310032;

2. 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室, 浙江杭州 310027;

3. 中国地质大学(武汉) 机械与电子信息学院, 湖北武汉 430074)

摘要：气液两相流流型预测是微流动系统设计和控制的基础。实验在带有“十”字形和“T”字形的矩形微通道(主通道水

力直径 0.29 mm)内，以氮气作为气相，分别以乙醇-表面活性剂水溶液或丙酮-表面活性剂水溶液为互溶混合液相，对气液两

相流型及转换边界进行了研究。气相表观速度和混合液相表观速度分别在 0.012~22.391 ms

1

和 0.006~1.508 ms

1

，利用可视

化研究方法，观察到泡状流、弹状流、扰动流及分层流四种流型，并绘制出流型图，将所得流型图与文献中的流型转变边界

线作了比较。利用文献中流型转变关联式预测实验条件下流型边界，发现其对弹状流向扰动流转变的预测较为符合，并通过

韦伯准数修正关联式得出本实验中弹状流向扰动流转变的流型边界。

关键词：矩形微通道；两相流；流型；流型图；流型边界

中图分类号：O363.2 文献标识码：A DOI：CNKI:33-1141/TQ.20111104.1636.006

Gas-Liquid Two-Phase Flow Patterns and Boundaries in a Rectangular Microchannel

LIU Qian

, ZHANG Song-hong

, SHEN Shao-chuan

, YUN Jun-xian

, YAO Ke-jian

, XU Lin-hong

2,3

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Green Chemistry Synthesis Technology, College of Chemical

Engineering and Materials Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China;

2. The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;

3. Faculty of Mechanical & Electrical Information, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China)

Abstract: The prediction of gas-liquid two-phase flow patterns is fundamental for the design and process

control of microfluidic systems. In this work, the flow patterns and boundaries of nitrogen gas and two miscible

liquids (the aqueous surfactant solution and ethanol or acetone) in a rectangular microchannel (hydraulic

diameter D

=0.29 mm) with cross and T-shaped junctions were studied experimentally. Different flow patterns

such as bubble flow, slug flow, churn flow and stratified flow, were observed by a visualization

method at gas

superficial velocities ranged from 0.012 to 22.391 ms

1

and the miscible liquids superficial velocities from

0.006 to 1.508 ms

1

. The depicted flow pattern maps were compared with the flow boundaries reported in the

literatures. The obtained experimental values of flow pattern transitions were compared with the predictions

given by the correlation reported in the literatures. A modified correlation was obtained by considering Weber

number, which is available in the prediction of the transition from slug flow to churn flow under the present

experimental conditions.

Key words: rectangular microchannel; two-phase flow; flow patterns; flow pattern maps； flow pattern

boundaries

1 引言

近年来，微通道因在微混合及反应控制等方面表现出卓越的性能而成功用于纳米粒的制备

[1~4]

。文献

收稿日期：2010-11-25；修订日期：2010-05-06。网络出版时间：2011-11-04 16:36

基金项目：国家自然科学基金资助项目(20606031，21036005)；流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金项目(GZKF-201010)。

作者简介：刘谦(1985-)，男，湖北武汉人，浙江工业大学硕士生。通讯联系人：姚克俭，E-mail：yaokj@zjut.edu.cn

第 25 卷第 6 期刘谦等：矩形微通道内气液两相流型及其转换边界的实验研究 917

[3,4]报道了利用两种互溶溶液在微通道内混合传质制备固体脂质纳米粒的方法，制备过程中向微通道内

引入气相以形成气液弹状流可进一步强化液塞内液液两相间的传质，得到粒径更小、分布均匀的纳米粒，

同时解决纳米粒在通道内的堵塞问题

[3,5]

。微通道内气液两相流型直接影响两相的接触面积和传递特性，

是传热和传质的基础，为了控制微通道内流型在合适的范围内，有必要对流型及其转换边界进行详细的

研究

[6]

。

目前，文献中已有许多关于不同类型微通道内气液两相流型及流型图的报道

[7~10]

。Triplett 等

[7]

以空气

和去离子水为实验介质，在 1.1 mm 的水平圆形通道内，观察到泡状流(bubbly flow)、扰动流(churn flow)、

弹状流(slug flow)、弹状–环状流(slug-annular flow)和环状流(annular flow)等气液两相流流型，并利用现

有的关联式来关联实验的气液两相流型边界，但效果并不理想。Chung 等

[8]

研究了内径分别为 530, 250,

100, 50 μm 的水平圆管内氮气-水的流型转变，他们发现通道尺寸对流型影响显著。Pohorecki 等

[11]

分别以

水和乙醇作为液相，氮气为气相，在宽 0.2 mm，深 0.5 mm 的矩形通道内研究表面张力对气液两相流型

图的影响，结果发现随着表面张力的增加，弹状-环状流向环状流的转变边界线将朝表观气速减小的方向

移动。考虑到表面张力对流型边界的影响，Akbar 等

[12]

提出韦伯数坐标下的流型转变线，该流型转变线

能够很好地关联接近圆形微通道内的空气-水两相流，但对其它类型微通道内的气液流型预测需要做进一

步研究。

综上所述，微通道内气液两相流因通道尺寸、流体介质、气液流速等因素不同，所得到的流型分布

及转换边界也不尽相同，而且，大部分气液两相流型的研究都是利用单一液相作为实验介质，对于以混

合液相作为实验介质的研究非常少见。因此，本文将针对文献[3]、[4]中的实验介质，以氮气为气相，分

别以乙醇-表面活性剂水溶液或丙酮-表面活性剂水溶液为互溶混合液相，研究微通道内气相-混合液相的

两相流流型以及流型边界，并在文献报道的流型转变关联式基础上，关联得出弹状流向扰动流转变的边

界线方程。

2 实验部分

2.1 材料

表面活性剂 Poloxamer 188 购自 BASF 中国公司(上海)，有机溶剂丙酮(99.7％(wt))与乙醇(99.7％(wt))

均为分析纯。实验使用的去离子水(在 298.15 K 下的电阻率为 18.2 MΩ·cm)由 Milli-Q 超纯水系统纯化后

制得。实验使用的气相为氮气。

2.2 实验装置

气液两相流实验装置与文献[3]的相同，主要由精密注射泵(MAI 70-2208，美国 Harvard 仪器公司)、

微通道系统装置、荧光倒置显微镜(CFM-500E，上海光学仪器厂)、高速摄像仪(TS1000ME，Fastec Imaging

Inc)、压力传感器(WP-S40，Huba Control)、数据在线采集装置以及流量测试装置等组成。

微通道结构示意图如图 1 所示。微通道包含一个“十”字形交叉口和一个“T”字形交叉口。位于中

心的主道宽度为 0.525 mm，长度为 340 mm，“十”字形交

叉口的两支道长度均为 20 mm，宽度均为 0.5 mm，“T”字

形交叉口支道宽度为 0.47 mm，通道内两个交叉口的距离

为 20 mm，微通道高度均为 0.2 mm。

2.3 实验方法

室温(27℃)下，

将有机溶剂乙醇或丙酮通过微量注射泵

直接注入中间主通道，将两股 0.5% (w/w) Poloxamer 188 水

溶液以相同流量同时从“十”字形交叉口的支管对冲注入，

三股液相在“十”字形通道中心处汇合。氮气经过缓冲罐

稳压以后从“T”字形交叉口的支管一侧通入，在“T”字

形交叉口与混合液相汇合。调整混合液相和气相的流量，

图 1 微通道板主道和支道结构及尺寸示意图

Fig.1 Schematic diagram of the main and branch

microchannels

1. branch channel through aqueous solution

2. branch channel through gas phase

3. main channel

0.5mm

60mm 280mm

Ф2mm

20mm

20mm 0.47mm

0.525mm

60 mm



2 mm

0.5 mm

280 mm

0.525 mm

0.47 mm 20 mm

20 mm

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