CC BY
13
УДК 532.529.5
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛЮОРЕСЦЕНЦИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОСХОДЯЩЕГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ МИКРОКАНАЛЕ
Герман Васильевич Барткус
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
пр. Академика Лаврентьева, 1, магистрант, лаборант, тел. (913)750-13-11, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
В работе изучена структура течения смеси вода-азот в канале с прямоугольным сечением 420x280 мкм. Выполнен комплекс экспериментальных исследований по визуализации и измерению характеристик газожидкостного течения методами высокоскоростной видеосъемки, лазерно-индуцированной флуоресценции и методом лазерного сканирования.
Ключевые слова: газожидкостное течение, микроканал, метод лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), МЭМС технологии.
APPLICATION OF LASER-INDUCED FLUORESCENCE FOR STUDY OF UPWARD GAS-LIQUID FLOW IN RECTANGULAR MICROCHANNEL
German V. Bartkus
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, bachelor, assistant, tel. (913)750-13-11, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Professor, Head Laboratory of Multiphase Systems, tel. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
In this paper the structure of mixture flow water-nitrogen in microchannel with rectangular cross section 420x280 ^m was studied. A complex of experimental studies of visualization and measurements of gas-liquid flow characteristics was carried out using methods of high-speed video, laser induced fluorescence and laser scanning method.
Key words: gas-liquid flow, microchannel, method of laser-induced fluorescence (д-LIF), MEMS technology.
Исследования газожидкостных течений в микроканалах широко развиваются в настоящее время применительно к разработке современных технологий в различных областях, включая МЭМС и биотехнологии, создание высокоинтенсивных систем охлаждения электронного оборудования. Примеры применения микроканалов детально рассмотрены в [1]. Режимы газожидкостного течения в вертикальном микроканале с поперечным сечением 670*2000 микрон
экспериментально получены в [2] с помощью двухлучевого лазерного сканирования. В данной работе оптическими методами проведено комплексное исследование детальной структуры стационарного и пульсирующего газожидкостного течения в прямоугольном микроканале с сечением 420x280 мкм, то есть в канале с существенно меньшим поперечным размером, чем в [2]. Выявлены основные режимы течения и их статистические характеристики, с использованием метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ц-ЬШ) измерена локальная толщина пленки жидкости 5.
Схема экспериментального стенда для исследования восходящего газожидкостного течения в вертикальном микроканале представлена на рис. 1 (а). При проведении экспериментов в качестве жидкой фазы использовалась дистиллированная вода, в качестве газовой фазы использовался азот, который 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 на вход в микроканал. Формирование двухфазного потока происходило во внутреннем Т-образном миксере. Экспериментальный участок представлял собой прямоугольный стеклянный микроканал длиной 300 мм и сечением 420x280 мкм. На выходе из экспериментального участка газожидкостная смесь откачивалась насосом (9) в бак с водой (4). Измерения проводились, как для стационарного течения, так и при наличии внешних пульсаций расхода, вызванных полным перекрытием проходного сечения в трубке, подводящей жидкость к смесителю. Для генерации возмущений в микроканале по линии жидкости после регулятора расхода жидкости был установлен электромагнитный клапан, частоту работы которого можно было контролировать с помощью генератора. Структура потока была изучена при двух частотах работы электромагнитного клапана: 10 и 18 Гц.
В данной работе использовались три метода: метод высокоскоростной видеосъемки, двухлучевое лазерное сканирование и метод лазерно-индуцированной флуоресценции для определения толщины пленки жидкости. Схема измерения толщины пленки с использованием метода ц-ЬШ показана на рис. 1 (б). В качестве красителя был выбран Родамин 6Ж, так как он не вносит гидродинамических возмущений в поток, и его спектры поглощения и флуоресценции лежат в диапазоне, удобном для применения в качестве источника возбуждения флуоресценции импульсного твердотельного лазера (1) с длиной волны 532 нм. Для определения интенсивности переизлученного света использовался светофильтр ОС-12 (3), который не прозрачен для длины волны лазера, и высокоскоростная видеокамера Optronis CR600x2 (2).
С использованием высокоскоростной видеокамеры с частотой видеосъемки 1250 кадр/c и двухлучевого лазерного сканирования выявлена структура газожидкостного течения в области Т-образного смесителя и на расстоянии 13 см от смесителя, установлены статистические характеристики распределений длин газовых и жидких перемычек в предположении, что длины пузырей-снарядов соответствуют логнормальному распределению. Эксперименты проведены в
диапазоне приведенных скоростей жидкости от 0.024 до 0.094 м/с и газа от 0.064 до 3.21 м/с. Получено, что при стационарном восходящем газожидкостном течении в микроканале формируются три основных режима течения: периодическое течение с удлиненными пузырями, переходное и кольцевое течение с волнами, рис. 2 (а). При наличии внешних периодических возмущений расхода жидкости с частотой 10 и 18 Гц в микроканале наблюдается только два основных режима течения: непериодический режим течения (Т) и кольцевое течение с волнами (AW), рис. 2 (б). Этот новый результат показывает возможность управления структурой газожидкостного течения в микроканале при наложении периодических внешних возмущений на расход жидкости.
^Г б
а) б)
Рис. 1. а) экспериментальный стенд для изучения газожидкостного течения в прямоугольном микроканале; б) принципиальная схема измерения толщины пленки методом лазерно-индуцированной флуоресценции (^-ЬШ)
(я
X 0.1
ст
0.01
: ---Б/С : —си - -А\Л : о ев / м/ ♦ т! ' т °А\л/ / / 1 1 / >' / * / * / Э у г ' 1 1 1 1
1 ООО О <ХХХ»р*зЬ ооххАюсш ' т ' \ / с А\Л/ ,1 ....... 1 ........ 1 ь 1 1 1 1
0.01 0.1 1
а)
даз, т/в
0.1
со
Е
0.01
-----♦ 1 ♦ т оАУУ
1
♦ ♦♦♦МОСХХЖ)
1 1
1 1 1
♦ ♦♦«меХзоаао 1 1
1 1 1 1 1 1
10 100
0.01 0.1 1 а
даэ. т/в
б)
10 100
Рис. 2. Карта режимов течения в вертикальном прямоугольном микроканале 420 х 280 мкм для стационарного течения (а) и при частоте пульсаций расхода
жидкости 10 Гц (б)
Рис. 3. Кадры флуоресценции, полученные при освещении:
а) газового пузыря (/газ = 0,06 м/с), б) газового пузыря большей длины (Лаз = 0,148 м/с), в) кольцевого течения
Для определения толщины пленки жидкости с помощью метода лазерно-индуцированной флуоресценции использовалось течение с удлиненными пузырями и переходное течение при постоянной приведенной скорости жидкости 1жид=0.059 м/с. Кадры, полученные методом ЛИФ, показаны на рис. 3. Для указанных течений определена интенсивность флюоресценции в центре канала и, с учетом калибровки, определена локальная толщина пленки жидкости, которая представлена в безразмерном виде на рис. 4. Здесь номера точек соответствуют различным расстояниям от начала пузыря до места измерения толщины пленки жидкости L/a, где L - расстояние от начала пузыря, а - ширина канала. Как видно, в соответствии с законом Тейлора, толщина пленки жидкости на малых расстояниях от начала пузыря (Ь/а=1) увеличивается при увеличении капиллярного числа Са = пузыръ ^ , но на больших расстояниях (Ь/а=5.5) она
ст
уменьшается из-за стягивания жидкости в углы канала, и закон Тейлора для прямоугольного канала не выполняется в полной мере.
Рис. 4. Графики зависимости безразмерной толщины пленки
от капиллярного числа
15
б, |im
10
5
0
0 100 200 300 400
Ширина микроканала, |jm
Рис. 5. Распределение локальной толщины пленки жидкости в сечении перпендикулярном направлению течения вдоль длинной стороны канала
Изменение локальной толщины пленки жидкости вдоль длинной стороны канала показано на рис. 5. Данные приведены для трех разных приведенных скоростей газа и одной скорости жидкости. Видно, что под воздействием капиллярных сил поверхность изгибается и жидкость стягивается в углы канала. В центре канала толщина жидкости имеет максимальное значение, измерение толщина пленки жидкости вблизи боковых стенок требует проведения дополнительных экспериментов.
В результате проведенных исследований выявлена тонкая структура газожидкостного течения в прямоугольном микроканале с размерами 420x280 мкм для стационарного режима течения и при наличии внешних пульсаций расхода жидкости. С помощью метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ц-LIF) измерена толщина пленки жидкости для режима течения c удлиненными пузырями и переходного режима течения. Показана возможность управления структурой газожидкостного течения в микроканале при наложении периодических внешних возмущений на расход жидкости.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ № 15-08-07506 А).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Günther A. and Jensen K. F. Multiphase microfluidics: from flow characteristics to chemical and materials synthesis // Lab Chip. - 2006. - Vol. 6. - P. 1487-1503.
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, В. В. Кузнецов, 2016
