CC BY
15
УДК 532.529.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ САМООРГАНИЗАЦИИ ДВУХФАЗНОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ МИНИКАНАЛЕ
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (923)182-08-97, e-mail: kozulin@itp.nsc.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. лабораторией, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Проведено исследование структуры восходящего газожидкостного течения в прозрачном прямоугольном миниканале 0.72 х 1.50 мм, с зазором порядка капиллярной постоянной. С использованием метода двойного лазерного сканирования определены закономерности распределения фаз и статистические характеристики газожидкостного течения смеси вода-азот. Визуализация газожидкостного течения осуществляется с помощью высокоскоростной видеокамеры.
Ключевые слова: миниканал, газожидкостное течение, структура течения, метод дву-лучевого лазерного сканирования.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SELF-ORGANIZATION OF TWO-PHASE FLOW IN RECTANGULAR MINICHANNEL
Igor A. Kozulin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (923)182-08-97, e-mail: kozulin@itp.nsc.ru
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik La-vrentiev Prospect, D. Sc., The Head of Multiphase Systems Laboratory, tel. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Investigation of the structure of ascending gas-liquid flow in the rectangular transparent minichannel 0.72 х 1.50 mm with a gap of the order of the capillary constant was made. Using the method of a two-beam laser scanning the regularities of phase distribution and the statistical characteristics of the gas-liquid flow of the water-nitrogen mixture are determined. Visualization of flow regimes was carried out using high-speed video.
Key words: Minichannel, gas-liquid flow, flow structure, a two-beam laser scanning method.
В настоящее время наблюдается рост интереса к исследованиям в области капиллярной гидродинамики и теплообмена в микросистемах, вызванный бурным развитием электроники и медицины, [1]. Прикладные аспекты рассматриваемой проблемы связаны с перспективой применения каналов малого и сверх-
малого размера для интенсификации тепломассопереноса. Исследование адиабатного газожидкостного двухфазного потока в каналах с размером порядка миллиметра и меньше изучено в большом числе работ [2, 3]. В работе [4] получены карты режимов, основанные на двулучевом лазерном сканировании потока при кипении хладонов R134a and R245fa в одиночных трубках диаметром 0.509 и 0.79 мм. В работе [5] выполнено экспериментальное исследование гидродинамики снарядного течения в горизонтальном капилляре диаметром 0.92 мм на системах вода-воздух и водного раствора глицерин-воздух. Подробный обзор режимов течения в трубах и капиллярных каналах проведен в работе Чиннов Е.А., Кабов О.А. [6].
Данная работа направлена на проведение экспериментальных исследований механизма гидродинамических процессов, при течении жидкости, в прямоугольном миниканале с зазором порядка капиллярной постоянной. Определены закономерности распределения фаз и статистические характеристики структуры газожидкостного течения вода-азот с использованием оптического метода, двулучевого лазерного сканирования потока [7]. Метод основан на сканировании двухфазного потока двумя лазерами на двух расстояниях от входа в канал. Визуализация двухфазного газожидкостного течения осуществлялась с помощью высокоскоростной видеокамеры.
Схема экспериментального стенда для определения параметров восходящего газожидкостного потока в вертикальном миниканале 0.72 х 1.50 мм представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда для изучения структуры двухфазного потока в вертикальном прямоугольном миниканале 0.72 х 1.50 мм
В качестве жидкой фазы использована дистиллированная вода, в качестве газовой фазы использован азот. В эксперименте газ (N2) поступал из баллона (1) через расходомер газа (2) в экспериментальный участок (5). Вода поступала из бака (4), через термомассовый регулятор расхода жидкости (3) и далее попадала
в смеситель, расположенный внизу перед экспериментальным участком (5). Экспериментальный участок представлял собой прямоугольный стеклянный миниканал 0.72 х 1.50 мм. На выходе из экспериментального участка газожидкостная смесь откачивалась насосом (9) в бак с водой (4). Для исследования режимов газожидкостного течения использован метод двойного лазерного сканирования. В данном методе два лазера (7) располагались так, что лазерные лучи освещали одну из сторон прямоугольного канала. Питание лазеров осуществлялось с помощью источника напряжения ТЕС-42 (8). Интенсивность прошедшего света измерялась с помощью фотодиодов (6), расположенных на противоположной стороне канала. Сигналы с фотодиодов регистрировались с помощью АЦП и обрабатывались на компьютере (10). 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.
Установлено, что доминирующими режимами газожидкостного течения в миниканале являются периодический режим с удлиненными пузырями, который наблюдается в диапазоне приведенных скоростей жидкости и газа = 0.08^0.71 м/с, Jgas = 0.024^2.01 м/с и кольцевой режим течения в диапазоне приведенных скоростей Jliq = 0.08^0.67 м/с, Jgas = 3.16^10.14 м/с. На рис. 2, а представлен электрический сигнал с фотодиода и визуализация течения для периодического режима течения при приведенных скоростях жидкости и газа = 0.081 м/с, Jgas = 0.046 м/с. На рис. 2, б представлен электрический сигнал с фотодиода и визуализация течения для кольцевого режима течения при приведенных скоростях жидкости и газа Jliq = 0.17 м/с, Jgas = 3.54 м/с.
0.25-1 0.200.15 0.10 0.05-1 0.00
0 500 1000 1500 2000 2500 тэ
н
и
а)
0.25-1 0.200.15
>
=> 0.100.050.00
и
ч.
0 200 400 600 800 1000 тэ б)
Рис. 2. Оптический сигнал с первого оптического канала и визуализация течения:
а) режим течения с удлиненными пузырями, = 0.081 м/с, Jgas = 0.046 м/с;
б) кольцевой режим течения, = 0.17 м/с, Jgas = 3.54 м/с
В диапазоне приведенных скоростей = 0.08^0.59 м/с и = 1.16^4.03 м/с наблюдается переходный режим течения. Данный режим течения характеризуется удлинением передней части газового снаряда, разрушением задней части и хаотическим поведением сигнала непосредственно за снарядом.
Проведена статистическая обработка данных. На рис. 3 приведено распределение длин газовых и жидких перемычек, нормированных на гидравлический диаметр миниканала Dh = 0.97 мм для периодического режима течения с удлиненными пузырями при приведенных скоростях жидкости и газа Jliq=0.081 м/с и Jgas=0.046 м/с.
ш ио
а) б)
Рис. 3. Характеристики режима течения с удлиненными пузырями в миниканале при скоростях потока Jliq = 0.081 м/с, Jgas = 0.046 м/с:
а) распределение длины газового снаряда, нормированного на диаметр канала;
б) распределение длины жидкой перемычки, нормированной на диаметр канала
Для установления границ режимов течения, проведена статистическая обработка экспериментальных данных, что позволяет количественно охарактеризовать свойства режимов течения. Для каждого режима течения определено среднеквадратичное отклонение а или корень из дисперсии статистической величины. Среднеквадратичное отклонение а позволяет определить ширину статистических распределений. На рис. 4 приведена зависимость среднеквадратичное отклонение для электрического сигнала с первого фотодиода от приведенной скорости газа в диапазоне приведенной скорости жидкости Jliq = 0.16^0.18 м/с.
Рис. 4. Зависимость среднеквадратичного отклонения распределений газовых перемычек от приведенной скорости газа; диапазон приведенной скорости
жидкости Jliq = 0.16^0.18 м/с
Из рис. 4 видно, что величина среднеквадратичного отклонения резко возрастает при переходе от режима с периодическими удлиненными пузырями к переходному течению. Для кольцевого течения с волнами среднеквадратичное отклонение вначале возрастает, а затем падает, что соответствует увеличению числа мелких волн на поверхности жидкости в миниканале. Данная обработка позволяет определить переход от режима течения с удлиненными пузырями к переходному течению. На рис. 4 пунктирной линией показана граница перехода от периодического режима течения к переходному режиму.
В результате выполненных работ экспериментально получена структура газожидкостного течения в прямоугольном миниканале 0.72 х 1.50 мм. Детально изучена структура течения с помощью двулучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки течения газо-жидкостного течения. Определены режимы двухфазного газожидкостного течения, получены статистические характеристики двухфазного течения.
Работа выполнена в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект РНФ № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Coleman J. W., Garimella S. Characterization of two-phase flow patterns in small diameter round and rectangular tubes // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 1999. - Vol. 42, Is. 15. - P. 2869-2881.
2. Suo M., Griffith P. Two-phase flow in capillary tubes // Journal of Basic Engineering. -1964. - Vol. 86, Is. 3. - P. 576-582.
3. Nakoryakov V. E., Kuznetsov V. V., Vitovsky O. V. Experimental investigation of upward gas-liquid flow in vertical narrow annulus // International Journal of Multiphase Flow. - 1992. -V. 18, Is. 3. - P. 313-326.
4. Revellin R., Thome J. R. A new type of diabatic flow pattern map for boiling heat transfer in microchannels // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2007. - Vol. 17, Is. 4. -P. 788-796.
5. Абиев Р. Ш., Лаврецов И. В. Гидродинамика снарядного течения газожидкостной системы в капиллярах: сравнение теории и эксперимента // Теоретические основы химической технологии. - 2011. - Т. 45 (3). - С. 251-263.
6. Чиннов Е. А., Кабов О. А. Двухфазные течения в трубах и капиллярных каналах // Теплофизика высоких температур. - 2006. - T. 44 (5). - C. 777-795.
7. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Статистические характеристики двухфазного газожидкостного потока в вертикальном микроканале // Прикладная механика и техническая физика. - 2011. - Т. 52 (6). - С. 129-139.
© И. А. Козулин, В. В. Кузнецов, 2017
