CC BY
91
УДК 621.1.016:536.42 И.А. Козулин НГУ, Новосибирск В.В. Кузнецов ИТ СО РАН, Новосибирск
СТРУКТУРА ГАЗОЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНЫХ МИНИ-И МИКРОКАНАЛАХ
В статье рассмотрен метод лазерного сканирования для изучения структуры двухфазных течений в каналах с поперечным размером порядка и меньше капиллярной постоянной. С использованием высокоскоростной фото и видеосъёмки получены основные режимы восходящего адиабатного газожидкостного потока, изучены статистические параметры потока.
I.A Kozulin
Novosibirsk State University, Pirogova Ul., Novosibirsk, 630090, Russian Federation V.V. Kuznetsov
Institute of Thermophysics SB RAS, Lavrenteva Pr., Novosibirsk, 630090, Russian Federation
STRUCTURE OF GAS-LIQUID FLOW IN RECTANGULAR MINI- AND MICROCHANEL
In article is considered methods of laser scanning for studying the structure of two-phase flows in channels with transverse size of order and less than the capillary constant. Using highspeed photo and video received by the main modes of adiabatic upward gas-liquid flow, studied statistical parameters of two-phase flow.
В настоящее время наблюдается существенный рост интереса к капиллярной гидродинамике в микросистемах, вызванный развитием микроэлектроники в компьютерах, суперкомпьютерах, мощных лазерах, медицинском оборудовании, компактных теплообменниках в космических системах. Характеристики двухфазного потока в каналах малого сечения и краткий обзор выполненных работ представлен в [1]. Большинство работ по исследованию двухфазных течений в каналах малого размера посвящено определению режимов течения [2-3]. В работе [4] получены статистические характеристики снарядного течения, и их развитие по длине канала в трубах с диаметром порядка сантиметра. В то же время, статистические характеристики газо-жидкостного течения в каналах малого поперечного размера в литературе отсутствуют.
В данной работе исследуется структура вертикального восходящего газожидкостного течения и получены его статистические характеристики в прямоугольном мини- и микроканале с поперечным размером порядка и меньше капиллярной постоянной. В работе поперечные размеры миниканала составляли 1,78x3,75 мм2 (гидравлический диаметр 2,4 мм) длина 0,7 м, поперечные размеры микроканала 0,67x2 мм2 (гидравлический диаметр 1 мм) длина микроканала 0,5 м.
1. СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ
С использованием метода двойного лазерного сканирования и высокоскоростной фото и видеосъёмки получены основные режимы восходящего адиабатного газожидкостного потока в вертикальном мини- и микроканале. В результате проведенных экспериментов выделены следующие режимы течения: снарядно-пузырьковый, снарядный,
эмульсионный и кольцевой. Режим с дискретными пузырьками в каналах не наблюдался.
Пузырьково-снарядный режим в миниканале наблюдался для приведенных скоростей газа и жидкости в диапазоне = 0,51^0,64 м/с, 1ёа8 = 0,07^0,84 м/с. Структура потока была больше похожа на снарядный режим, с многочисленными короткими жидкими перемычками. На рис. 1 показана временная развертка сигнала оптических датчиков и фотографии структуры потока для пузырьково-снарядного режима течения в миниканале. При увеличении приведенной скорости в диапазоне 1нч = 0,07^0,38 м/с, 1ёа8= 0,52^1,57 м/с наблюдался снарядный режим течения, для которого характерный вид сигнала показан на рис. 2. Здесь наблюдались длинные снаряды, разделенные короткой жидкой перемычкой.
В микроканале снарядно-пузырьковый режим течения показан на рис. 3. Данный режим течения наблюдается в диапазоне приведенных скоростей жидкости 1Ич = 0,11^0,407 м/с и газа 1ёа8= 0,04^0,31 м/с.
В диапазоне приведенных скоростей = 0,066^0,407 м/с, 1ёа8 = 0,51^2,35 м/с наблюдался снарядный режим течения, показанный на рис. 4. Снарядный режим течения отличался тем, что наблюдались длинные газовые снаряды, разделенные короткой жидкой перемычкой, размер которой меньше или равен газовым перемычкам. В микроканале снарядное течение характеризуется периодичностью и отсутствием значительного количества мелких пузырьков за снарядом.
Рис. 3. Оптический сигнал с фотодиода для снарядно-пузырькового режима в микроканале при ^=0,17м/с. 1ет=0.16 м/с
Рис. 4. Оптический сигнал с фотодиода для снарядного режима в микроканаче при Ji«,=0.27m/c. 1газ=0.61 м/с
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОТОКА
На рис. 5, 6 показана зависимость скорости снаряда Ub от приведенной скорости смеси Jm для мини- и микроканала соответственно. Опытные данные, полученные с использованием двойного лазерного сканирования потока, показаны точками. Оптический метод позволил зафиксировать скорость газового снаряда и жидкой пробки. Обработка данных для скорости всплытия снарядов в виде Ub=C0Jm+Ubfree для снарядного режима показала, что величина коэффициента C0=1,67 для миниканала, выше, чем в работе [5]. Для микроканала параметр распределения С0=1,2, что хорошо согласуется с данными [6].
Была проведена статистическая обработка данных по скорости всплытия снарядов и их длине. Измерения статистических параметров проводились для снарядно-пузырькового и снарядного режимов течения.
Ub, m/s Ub, m/s
Рис. 5. Скорость снаряда от приведённой скорости смеси в прямоугольном миниканале 1,75x3,8 мм2 (H2O/CO2)
Рис. 6. Скорость снаряда от приведённой скорости смеси в прямоугольном микроканале 0,67x2,0 мм2
Статистические характеристики движения жидкой и газовой фаз получены в микроканале на двух расстояниях от входа в камеру смешивания
/л = 199 и
Уо 256 5 где х - расстояние от камеры смешивания до оптического
приемника лазерного излучения, D - гидравлический диаметр канала.
На рис. 7, 8 показаны гистограммы распределения скорости для заданного режима течения в мини- и микроканале.
Рис. 7. Гистограмма распределения скорости снаряда в миниканале для снарядного режима течения при скоростях потока 1нч=0,091 м/с и Jgas=1,19 м/с
Рис. 8. Гистограмма распределения скорости снаряда в микроканале для снарядного режима течения при скоростях потока 1цч=0,17 м/с и ^=0,79 м/с
КАРТА РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ
На рис. 9, 10 показаны карты режимов течения для мини- и микроканала, полученные с использованием метода лазерного сканирования потока. Сплошные линии соответствуют расчету по модели Mishima&Ishii [7]. Представлены следующие режимы течения: B-S - снарядно-пузырьковый, S -снарядный, С - вспененный, A-кольцевой, A-W - дисперсно-кольцевой. Границы режимов, в целом, соответствуют расчету по модели Mishima&Ishii.
о Кольцевой ж Эмульсионный + Переходный о Снарядный Снаряднопузырьковый
Рис. 9. Карта режимов течения для Рис. 10. Карта режимов течения для миниканала микроканала
На рис. 11 представлена зависимость перепада давления от числа Рейнольдса для однофазного течения жидкости, газа и газожидкостного течения в
микроканале. Видно, что
экспериментальные данные для
однофазного потока хорошо согласуется с расчетами для
ламинарного [8] и турбулентного режимов течения. Экспериментальные данные для газожидкостного течения обработаны в рамках гомогенной модели [9, 10]. Получено, что в
области турбулентного течения экспериментальные данные лежат существенно выше расчета по гомогенной модели, данные эксперимента превышают расчет до 2 раз. Для турбулентного течения модель [11] лучше соответствует данным.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе изучена структура адиабатного восходящего газожидкостного потока в вертикальном мини- и микроканале. Использование метода двухлучевого лазерного сканирования позволило определить основные режимы газожидкостного течения. Выделены снарядно-пузырьковый, снарядный, переходный, эмульсионный, кольцевой режимы течения, определены их границы. Построены карты режимов течения для мини и микроканала, получено, что границы режимов, в целом, соответствуют расчету по модели Mishima&Ishii. Получено, что в микроканале снарядное течение характеризуется периодичностью и отсутствием значительного количества мелких пузырьков за снарядом. Экспериментально определена зависимость скорости движения снаряда от приведенной скорости смеси для мини и микроканала. Для снарядно-пузырькового и снарядного режимов течения получены статистические параметры потока, включающие распределения скоростей снарядов, длин жидких перемычек и газовых снарядов. Для микроканала измерен перепад давления для однофазного и двухфазного течения, данные для однофазного течения хорошо согласуются с расчетом по известным моделям. Для газожидкостного турбулентного течения экспериментальные данные лежат выше расчета по гомогенной модели, модель, предложенная Garcia et al [11], лучше соответствует данным эксперимента.
Работа выполнена при частичной поддержке: РФФИ, грант № 08-08-00953а.
ПЕРЕПАД ДАВЛЕНИЯ
foH=0.31 6/Re0-2S 1000 10000
Рис. 11. Перепад давления для микроканала 0,67^2 мм
1. Sarisorn S., Wongwises S. A review of two-phase gas-liquid adiabatic flow characteristics in micro-channels // Renewable and Sustainable Energy Reviews. -2008. -V. 12. -P. 824-838.
2. Barnea D., Luninsky Y., Taitel Y. Flow pattern in horizontal and vertical two phase flow in small diameter pipes // Can. J. Chem. Eng. - 1983. - V. 61. - P. 617-620.
3. Suo M., Griffith P. Two-phase flow in capillary tubes // J. Basic Engineering. 1984, P. 576-582.
4. Van Hout R., Barnear D., Shemer L. Evolution of statistical parameters of gas-liquid slug flow along vertical pipes // Int. J. of Multiphase Flow. -2001. -V. 27. -No. 9. - P. 1579-1602.
5. Nicklin D.J., Davidson J.F. Paper №4, Two-phase Flow Symp., Inst. Mech. Engrs, London. - 1962.
6. Sowinski J., Dziubinski M., Fidos H. Velocity and gas void fraction in two-phase liquid-gas flow in narrow mini-channels // Arch. Mech. - 2009. -61.1. - P. 29-40.
7. Mishima K., Ishii M. Flow regime transition criteria for upward two-phase flow in vertical tubes // Int. J. Heat and Mass Transfer, - 1984. - V. 27. - №5. -P. 723-738.
8. Shah R.K., London A.L. Laminar Flow Forced Convention in Ducts // Supplement 1 to Advances in Heat Transfer. - 1978. Academic, New York.
9. Ungar E.K. and Cornwell J. D. Two-Phase Pressure Drop of Ammonia in Small Diameter Horizontal Tubes // Proc. AIAA 17th Aerospace Ground Testing Conf. Nashville, TN. - 2002. -July 6-8.
10. Triplett K. A., Ghiaasiaan S. M., Abdel-Khalik S. I., LeMouel A. Gas-Liquid Two-Phase Flow in Microchannels. Part II: Void Fraction and Pressure Drop // Int. J. Multiphase Flow. - 1999. - V. 25. - P. 395-410.
11. Garcia F., Garcia R., Padrino J.C, Power Law and Composite Power Law friction factor correlations for Laminar and Turbulent Gas-Liquid Flow in Horizontal Pipelines // Int. J. Multiphase Flow. - 2003. - V. 29. - P. 1605-1624.
© И.А. Козулин, В.В Кузнецов, 2010
