CC BY
10
УДК 532.529.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСХОДЯЩЕГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ МИКРО- И МИНИКАНАЛЕ
Герман Васильевич Барткус
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, лаборант, тел. (913)750-13-11, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (923)182-08-97, e-mail: igomt@yandex.ru
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, зав. отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
В работе изучена структура течения смеси вода-азот в прямоугольном миниканале 0,72 х 1,50 мм и микроканале с прямоугольным сечением 420 х 280 мкм. Выполнен комплекс экспериментальных исследований по визуализации и измерению характеристик газожидкостного течения методами высокоскоростной видеосъемки и методом лазерно-индуцированной флуоресценции.
Ключевые слова: газожидкостное течение, миниканал, микроканал, метод лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ).
EXPERIMENTAL RESEARCH OF UPWARD GAS-LIQUID FLOW IN RECTANGULAR MICRO- AND MINICHANNEL
German V. Bartkus
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, tel. (913)750-13-11, laboratory worker, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Igor A. Kozulin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., tel. (923)182-08-97, e-mail: igornt@yandex.ru
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Head Laboratory of multiphase systems, tel. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
The paper studied the flow structure of a water-nitrogen in a rectangular minichannel 0,72 х 1,50 mm and a microchannel with a rectangular cross-section 420x280 microns. A complex of experimental studies of visualization and measurements of gas-liquid flow characteristics was carried out using of high-speed video and laser-induced fluorescence method.
Key words: gas-liquid flow, minichannel, microchannel, method of laser-induced fluorescence (LIF).
В данной работе проведено комплексное исследование детальной структуры газожидкостного течения в прямоугольном миниканале с сечением 0.72x1.50 мм и микроканале с сечением 420x280 мкм. Определены закономерности распределения фаз и волновой структуры газожидкостного течения вода-азот с использованием метода лазерно-индуцированной флюоресценции (ЬШ). Метод лазерно-индуцированной флуоресценции (ЬШ) обеспечивает высокое пространственное разрешение без внесения гидродинамических возмущений в объект исследования [1].
Схема экспериментального стенда для определения параметров восходящего двухфазного потока в вертикальном миниканале 0.72*1.50 мм представлена на рис. 1 (а). Для исследования в качестве жидкой фазы использовалась дистиллированная вода, в качестве газовой фазы использовался азот. В эксперименте газ (N2) поступал из баллона (1) через расходомер газа (2) в экспериментальный участок (5). Вода поступала из бака (4), через термо-массовый регулятор расхода жидкости и далее попадала в смеситель, расположенный внизу перед экспериментальным участком. Формирование двухфазного потока происходило во внутреннем Т-образном миксере. Экспериментальный участок представлял собой прямоугольный стеклянный миниканал 0.72х1.50 мм и прямоугольный микроканал с сечением 420x280 мкм. На выходе из экспериментального участка газожидкостная смесь откачивалась насосом (9) в бак с водой (4). С лицевой стороны канала, проводилась визуализация течения при помощи высокоскоростной видеокамеры CR600x2. Частота видеосъемки составляла 1250 кадр/с, время экспозиции варьировалось от 2 до 50 мкс.
Для изучения толщины пленки применен метод лазерно-индуцированной флуоресценции (ЬШ), рис. 1 (б). Луч лазера от импульсного лазера (1) с длиной волны 532 нм под прямым углом падал на стекло исследуемого канала (2), в котором было организовано двухфазное газожидкостное течение. Высокоскоростная видеокамера (3) регистрировала отраженный свет, проходящий через оранжевый светофильтр ОС-12 (4). Весь экспериментальный стенд был накрыт светонепроницаемым кожухом, для исключения шума от ламп накаливания и дневного света. В настоящее время существует часть работ, посвященных тематике детальной структуры течения двухфазного течения, например, в работе [2] подробно представлено изучение процессов.
Используя высокоскоростную видеокамеру Optronis СХ600х2, получена структура газожидкостного течения в области Т-образного смесителя. Получено, что при восходящем газожидкостном течении в микроканале формируются три основных режима течения: периодическое течение с удлиненными пузырями, переходное и кольцевое течение с волнами.
Для определения толщины пленки жидкости с помощью метода лазерно-индуцированной флуоресценции использовалось течение с удлиненными пузырями и переходное течение при постоянной приведенной скорости жидкости ^д=0.059 м/с. Кадры, полученные методом ЛИФ, показаны на рис. 2. Для дан-
ных течений была определена интенсивность флюоресценции в центре канала и, с учетом калибровки, определена локальная толщина пленки жидкости.
а) б)
Рис. 1. а) экспериментальный стенд для изучения характеристик двухфазного газожидкостного течения; б) принципиальная схема измерения толщины пленки методом лазерно-индуцированной флуоресценции (^-ЬШ)
Рис. 2. Кадры, полученные методом LIF (/жид = 0,059 м/с):
а) флуоресценция при попадании лазерного пучка на жидкую перемычку (Ггаз=0.06 м/с), б) флуоресценция при попадании на газовый пузырь (Ггаз=0.06 м/с), в) флуоресценция при попадании на газовый пузырь (Ггаз=0Л48 м/с); г- переходной режим, д) кольцевой режим
Используя данные о толщине пленки, была построена зависимость безразмерной толщины пленки от капиллярного числа (рис. 3). В работе показано, что пленка жидкости 5 уменьшается при удалении от начала пузыря.
Са
Рис. 3. Графики зависимости безразмерной толщины пленки
от капиллярного числа
На рис. 4 представлено распределение локальной толщины пленки жидкости в сечении, перпендикулярном направлению течения вдоль широкой стороны микроканала 420х280 мкм для режима течения с удлиненными периодическими пузырями.
S 15
--J„«,= 0.06 m/s J,- =0.059 m/s
gas iiq
—■— J„ = 0.148 m/s J,- =0.059 m/s gas nq
—J„ = 0.288 m/s J,- =0.059 m/s
_gas_nq_
v
•V
t&L
fr
_1_
_1_
100 200 300
Ширина канала, мкм
Рис. 4. Распределение локальной толщины пленки жидкости в сечении, перпендикулярном направлению течения вдоль широкой стороны канала
20
10
5
0
0
400
На рис. 5 представлены результаты для толщины пленки 5/Dh, нормированной на гидравлический диаметр в зависимости от капиллярного числа Ca, полученные методом лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) в миниканале с размером 0.72*1.50 мм. На рисунке светлыми треугольниками представлены данные по толщине пленки для режима течения с удлиненными пузырями. Темными треугольниками представлены данные для переходного режима течения. Экспериментальные результаты были сопоставлены с расчетной работой [4] и экспериментальной работой [5].
-•— Hazel, Heil о Kolb, Cerro -Taylor (196 Д ЕВ Д Т (2002) (1991) 1)
П<Р у
0.001 0.01 Са 0.1 I
Рис. 5. Зависимость безразмерной толщины пленки от капиллярного числа
В результате выполненных работ экспериментально получена структура газожидкостного течения в прямоугольном миниканале 0.72*1.50 мм и прямоугольном микроканале с размерами 420x280 мкм. Изучена структура течения с помощью высокоскоростной видеосъемки газо-жидкостного течения. С помощью метода лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) установлена толщина пленки жидкости для режима течения c удлиненными пузырями и переходного режима течения.
Работа выполнена в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект РНФ № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Oddy M., Santiago J., Mikkelsen J. Electrokinetic instability micromixing // Analytical chemistry. - 2001. - Vol. 73. - P. 5822-5832.
2. Козулин И.А., Кузнецов В.В. Статистические характеристики двухфазного газожидкостного потока в вертикальном микроканале // Прикладная механика и техническая физика. 2011. Т. 52. №6 (310). С.129-139.
© Г. В. Барткус, И. А. Козулин, В. В. Кузнецов, 2016
