周云龍，陳玉修，劉 旭

（1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林132012；2.中國(guó)石油集團(tuán) 東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院，吉林132012）

目前，工業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域中廣泛涉及到氣液兩相流的應(yīng)用，理論研究方面也取得了很大進(jìn)展.在化學(xué)工程領(lǐng)域，對(duì)于兩相流動(dòng)的研究主要針對(duì)流型、壓降、傳熱和傳質(zhì)等方面.特別是在微化工技術(shù)中，流型直接影響生產(chǎn)設(shè)備的安全和效率，不同的流型會(huì)有不同的流動(dòng)、傳熱機(jī)理和傳質(zhì)效果等.氣液兩相流的壓降參數(shù)也是重要參數(shù)之一，一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了較廣泛的研究［1-4］.韋曉麗等［5］針對(duì)并列管組提出了新的流體流動(dòng)特性分布理論解和并聯(lián)支管的流速分布.近年來，并列微通道在燃料電池中的應(yīng)用較多，特別是在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，由于陰極的反應(yīng)氣體總是飽和的，導(dǎo)致在通道內(nèi)有液體存在［6］.并列微通道還廣泛應(yīng)用于緊湊型機(jī)械設(shè)備中，如微冷凝器、微換熱器、汽車空調(diào)扁管和微反應(yīng)器等.雖然從試驗(yàn)和理論方面得到了很多氣液兩相流動(dòng)的壓降經(jīng)驗(yàn)公式，但是仍然沒有統(tǒng)一的方法很好地描述一些重要因素對(duì)壓降等參數(shù)的影響，相關(guān)的理論知識(shí)也很有限.

如今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)微通道進(jìn)行可視化研究，主要觀察到如下流型：分散泡狀流、泡狀流、彈狀流、擾動(dòng)流、環(huán)狀流及分層流.還有一些不常見的流型和過渡流型，如溪狀流、液團(tuán)流、活塞流、歪斜肉串流、彈狀-環(huán)狀流和環(huán)狀-彈狀流等.不同學(xué)者對(duì)流型的稱呼略有不同.

一些學(xué)者對(duì)小尺寸的并列微通道進(jìn)行了試驗(yàn)研究.Park等［7］對(duì)0.89 mm 的 圓 形 截 面 并 列 微 通 道（10根）內(nèi)壓縮的CO2進(jìn)行了換熱研究；Zhang等［8］對(duì)Y 型進(jìn)口方式的截面為1.59mm×1.59mm 的正方形并列通道（2根）進(jìn)行了流型和壓降的可視化研究和計(jì)算；聶晶堯等［9］對(duì)當(dāng)量直徑為95.2μm 的并列微通道（13根）內(nèi)的氮?dú)夂退M(jìn)行了壓降和傳質(zhì)的研究.Tshuva等［10］研究了2 根并列通道內(nèi)的兩相流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)2 根并列通道內(nèi)為非對(duì)稱流動(dòng)；Hetsroni等［11］研究了當(dāng)量直徑分別為129μm、103 μm 和161μm，通道分別為21 根、26 根和17根的并列微通道內(nèi)空氣-水的兩相流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在氣、液速率固定時(shí)，在不同的微通道內(nèi)可同時(shí)觀察到不同流型，這主要是由流量分配不均造成的；Dario等［12］對(duì)并列通道支管內(nèi)流型不一致的影響因素進(jìn)行了研究，認(rèn)為主要是由支管流量分配不均引起的.

筆者以空氣-水為工質(zhì)，利用高速攝影儀對(duì)豎直I型微通道內(nèi)的流型進(jìn)行了可視化研究，并對(duì)微通道整體壓降試驗(yàn)測(cè)得值與分相流模型和均相流模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行了比較分析.

1 微通道的定義

Mehendale等［13］以當(dāng)量直徑Dh為劃分原則，將換熱器劃分為：常規(guī)通道（Dh＞6mm）；緊湊型通道（1 mm＜Dh≤6 mm）；過渡型通道（100μm＜Dh≤1mm）；微通道（1μm＜Dh≤100μm）.

Kandlikar［14］則依據(jù)工程中小尺寸通道的應(yīng)用并進(jìn)行演化提出通道的劃分準(zhǔn)則：常規(guī)通道（Dh＞3 mm）；細(xì)小通道（200μm＜Dh≤3 mm）；微通道（10 μm＜Dh≤200μm）；過渡型通道（1μm＜Dh≤10 μm）；過渡型納米通道（0.1μm＜Dh≤1μm）；分子納米通道（Dh≤0.1μm）.

Serizawa等［15］將微通道界限劃分為

式中：σ為表面張力；g為重力加速度；D為通道的尺寸；ρL為液相密度；ρG為氣相密度.

目前，對(duì)于通道尺度的劃分沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).筆者對(duì)微通道的定義以Kandlikar 的定義為劃分標(biāo)準(zhǔn).

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用微通道結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗(yàn)中的玻璃微通道是由浙江大學(xué)微分析實(shí)驗(yàn)室制作的.微通道截面為矩形，截面尺寸為100μm×800μm.氣相和液相進(jìn)口段長(zhǎng)度為10 mm，混合段長(zhǎng)度為10 mm，當(dāng)量直徑為177.8μm.圖1中從下到上通道編號(hào)分別為微通道Ⅰ、微通道Ⅱ和微通道Ⅲ.

圖1 微通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the micro-channels

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)圖.試驗(yàn)中氣、液兩相動(dòng)力設(shè)備是由北京善德仕醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)的SDSMP09（注射速率精度±2%）單道醫(yī)用注射泵.高速攝影儀的最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻可達(dá)10 000幀／s，可以清晰地拍攝到微通道內(nèi)氣液兩相流流型的變化.光源采用6 400K 色溫的三基色照明，亮度穩(wěn)定均勻，無閃爍.采用精度等級(jí)為0.25的微型壓力變送器.試驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行.

3 結(jié)果與討論

3.1 微通道內(nèi)兩相流流型

通過高速攝影儀觀察3 根并列微通道內(nèi)的流型.微通道Ⅰ內(nèi)的主要流型有：彈狀流、拉長(zhǎng)的彈狀流、彈狀-環(huán)狀流和環(huán)狀流（見圖3）；微通道Ⅱ內(nèi)的主要流型有：彈狀流、拉長(zhǎng)的彈狀流、環(huán)狀流和分層流（見圖4）；微通道Ⅲ內(nèi)的主要流型有：泡狀流、彈狀流、拉長(zhǎng)的彈狀流和環(huán)狀流（見圖5）.

圖3 微通道Ⅰ內(nèi)流型Fig.3 Flow pattern in micro-channel I

圖4 微通道Ⅱ內(nèi)流型Fig.4 Flow pattern in micro-channel II

圖5 微通道Ⅲ內(nèi)流型Fig.5 Flow pattern in micro-channel III

由圖3可知，氣相速率的增大加強(qiáng)了氣泡的相互作用，產(chǎn)生一定程度的聚合，導(dǎo)致彈狀流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變.進(jìn)口氣、液兩相速率分別為JG＝0.694 5m／s（Re＝196.54）和JL＝0.277 8m／s（Re＝49.157）時(shí)，觀察到了彈狀流（圖3（a））；隨著進(jìn)口氣相速率的增大，氣泡的長(zhǎng)度增加，形成拉長(zhǎng)的彈狀流（圖3（b））；進(jìn) 口 氣 相 速 率JG＝1.388 9 m／s（Re＝393.05）時(shí)，出現(xiàn)彈狀-環(huán)狀流（圖3（c）），這種流型是一種較為典型的過渡流型；當(dāng)進(jìn)口氣相速率增大到JG＝1.736 1m／s（Re＝491.31）時(shí)，微通道Ⅰ內(nèi)形成了非常穩(wěn)定的環(huán)狀流（圖3（d））.

由圖4可知，相對(duì)微通道Ⅰ而言，微通道Ⅱ內(nèi)彈狀流出現(xiàn)時(shí)的氣、液兩相速率都較低.當(dāng)進(jìn)口氣、液兩相速率分別為JG＝0.347 4m／s（Re＝98.313）和JL＝0.173 6 m／s（Re＝30.713）時(shí)，出現(xiàn)了彈狀流（圖4（a））.在進(jìn)口氣、液兩相速率都增大時(shí)，氣彈的長(zhǎng)度被拉長(zhǎng)（見圖4（b））.但是不同于微通道Ⅰ，微通道Ⅱ內(nèi)的環(huán)狀流出現(xiàn)在進(jìn)口氣、液兩相速率較低的工況下.這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樵谶M(jìn)口氣、液兩相速率較低時(shí)，兩相主要在微通道Ⅱ內(nèi)流動(dòng)所致.隨著進(jìn)口氣相速率的增大，流型過渡為較穩(wěn)定的分層流.

由圖5可知，JL＝0.277 8m／s（Re＝49.157）、JG＝0.347 4m／s（Re＝98.313）時(shí)，出現(xiàn)泡狀流，隨著進(jìn)口氣相速率的增大，氣泡長(zhǎng)度增加，逐漸變?yōu)閺棤盍?、拉長(zhǎng)的彈狀流和環(huán)狀流.

試驗(yàn)中觀察到的流型主要存在2種彈狀流，即彈狀流和拉長(zhǎng)的彈狀流.這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是表面張力和剪切力作用的結(jié)果.在微通道內(nèi)，表面張力的作用更加明顯，隨著進(jìn)口氣相速率的增大，剪切力的作用開始增大，將彈狀流拉長(zhǎng)，直到剪切力的作用大于表面張力的作用后，微通道中出現(xiàn)穩(wěn)定的分層流.只有微通道Ⅲ內(nèi)觀察到氣泡直徑與管徑相當(dāng)?shù)呐轄盍?，在微通道Ⅰ和微通道Ⅲ?nèi)沒有觀察到分層流，這可能是因?yàn)槲⑼ǖ愧窈臀⑼ǖ愧筇幱诓⒘型ǖ滥┒?，在進(jìn)入微通道時(shí)氣、液兩相速率有明顯的損失，導(dǎo)致速率減小，剪切力的作用相對(duì)表面張力較小，于是出現(xiàn)了泡狀流，隨著進(jìn)口氣相速率的增大，剪切力開始增大，但是其增大的程度并沒有達(dá)到使分層流出現(xiàn)的程度.

在試驗(yàn)中進(jìn)口氣相速率較小時(shí)，微通道Ⅰ和微通道Ⅲ內(nèi)氣、液兩相基本很少通過，而且非常不穩(wěn)定，出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，氣、液兩相主要集中在微通道Ⅱ中.隨著進(jìn)口氣相速率的增大，微通道Ⅰ和微通道Ⅲ內(nèi)的氣、液兩相流量開始增大，流量變得相對(duì)較穩(wěn)定，但是微通道Ⅱ內(nèi)的氣、液兩相流量仍然相對(duì)較大.這種分配的差異可能主要是由微通道結(jié)構(gòu)引起的.在進(jìn)口氣相速率較大時(shí)，此種并列微通道內(nèi)的分配會(huì)相對(duì)更均勻.對(duì)于進(jìn)口氣相速率較低時(shí)并列微通道內(nèi)氣相和液相主要在1根通道內(nèi)流動(dòng)和停滯的現(xiàn)象，Zhang等［8］在試驗(yàn)研究中也進(jìn)行了報(bào)道.

這種進(jìn)口氣、液兩相速率較低時(shí)出現(xiàn)的停滯現(xiàn)象對(duì)于此種結(jié)構(gòu)微通道的傳熱非常不利，很容易使管道產(chǎn)生過熱而危害設(shè)備安全，所以在傳熱過程中應(yīng)避免.

通過對(duì)并列微通道內(nèi)流型的整體比較可知，微通道Ⅱ內(nèi)的流型變化較大，而且出現(xiàn)了分層流，在微通道Ⅰ和微通道Ⅲ內(nèi)并沒有觀察到分層流對(duì)于這種流量分配不均勻現(xiàn)象，需要更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究.

3.2 壓降計(jì)算

筆者參照4種分相流壓降預(yù)測(cè)公式和3種黏度公式進(jìn)行壓降計(jì)算和對(duì)比，公式介紹如下.

Lockhart等提出的關(guān)系式

Chisholm 提出的關(guān)系式

Lee等提出的關(guān)系式［16］

Mudawar等提出的關(guān)系式［17］

Yu 等 提 出 的 關(guān) 系 式［18］

Dukler計(jì)算式

Cicchitti計(jì)算式

Mecadams計(jì)算式

式中：φ2為分液相折算系數(shù)；X為馬蒂內(nèi)里參數(shù)；C為無量綱參數(shù)；B為與流體物性和質(zhì)量有關(guān)的參數(shù)；Re為雷諾數(shù)；λ為無量綱參數(shù)；Ψ為無量綱參數(shù)；σ為表面張力；G為質(zhì)量流量；v為比熱容；j為折算速度；x為質(zhì)量含氣率；μ為動(dòng)力黏度.

下角標(biāo)含義：v為層流；t為紊流；f為液相；g為氣相；fo為全液相；go為全氣相；tp為兩相混合.

平均絕對(duì)誤差的計(jì)算公式為

式中：Δppred為模型預(yù)測(cè)壓降；Δpexp為試驗(yàn)測(cè)得壓降；M為試驗(yàn)次數(shù).

圖6給出了試驗(yàn)測(cè)得的總體壓降與不同分相流模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比.Yu、Mudawar、Lee、Chisholm和Lockhart提出的預(yù)測(cè)模型的平均絕對(duì)誤差分別為218.98%、95.45%、175.47%、176.03% 和141.26%.對(duì)于分相流模型的預(yù)測(cè)誤差來說，相對(duì)預(yù)測(cè)效果較好的是Chisholm 提出的預(yù)測(cè)模型，但是其整體預(yù)測(cè)值仍然偏低.

圖6 試驗(yàn)值與分相流模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比Fig.6 Comparison of pressure drop between predicted data by separated flow model and actual measurements

圖7給出了試驗(yàn)測(cè)得的總體壓降與均相流模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比.其中，均相流模型采用不同的黏度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算.Mecadam 計(jì)算式和Dukler計(jì)算式的預(yù)測(cè)值基本都在＋30%的偏差范圍內(nèi).均相流預(yù)測(cè)模型以單相水黏度計(jì)算得到的壓降平均絕對(duì)誤差為85.68%，以Mecadam 計(jì)算式、Cicchitti計(jì)算式和Dukler計(jì)算式得到的壓降平均絕對(duì)誤差分別為55.3%、64.86%和51.11%，其中Dukler計(jì)算式在均相流模型中能更好地預(yù)測(cè)本試驗(yàn)微通道的整體壓降.

圖7 試驗(yàn)值與均相流模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比Fig.7 Comparison of pressure drop between predicted data by homogenous flow model and actual measurements

從圖6和圖7可以看出，對(duì)于并列微通道的總壓降，相比分相流模型的預(yù)測(cè)值，均相流模型的預(yù)測(cè)效果更好，這與Kim 等［19］對(duì)并列微通道得出的結(jié)論一致.而且均相流模型的平均絕對(duì)誤差比分相流模型中最小的平均絕對(duì)誤差還要小.

4 結(jié) 論

（1）在本試驗(yàn)的并列微通道內(nèi)觀察到了幾種典型的流型，且3根微通道內(nèi)觀察到的流型不同.

（2）在進(jìn)口氣、液兩相速率較低時(shí)，微通道Ⅰ和微通道Ⅲ內(nèi)基本沒有液相通過，出現(xiàn)了停滯現(xiàn)象，在傳熱過程中應(yīng)避免.

（3）在分相流的5個(gè)預(yù)測(cè)模型中，Chisholm 預(yù)測(cè)模型相對(duì)較好，但是整體預(yù)測(cè)值偏低；均相流的4種不同黏度計(jì)算式中，Dukler計(jì)算式的預(yù)測(cè)值相對(duì)較好；均相流模型對(duì)本試驗(yàn)的預(yù)測(cè)效果更好.

［1］YUE J，CHEN G，YUAN Q.Pressure drops of single and two-phase flows through T-type microchannel mixers［J］.Chemical Engineering Journal，2004，102（1）：11-24.

［2］JASSIM E W，NEWELL T A.Prediction of twophase pressure drop and void fraction in microchannels using probabilistic flow regime mapping［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2006，49（15／16）：2446-2457.

［3］REVELLIN R，THOME J R.Adiabatic two-phase frictional pressure drops in microchannels［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2007，31（7）：673-685.

［4］KAWAHARA A，SADATOMI M，NEI K，etal.Experimental study on bubble velocity，void fraction and pressure drop for gas-liquid two-phase flow in a circular microchannel［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2009，30（5）：831-841.

［5］韋曉麗，繆正清.Z型和U 型集箱并聯(lián)管組流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程，2008，28（4）：514-518. WEI Xiaoli，MIAO Zhengqing.Experimental study of flow characteristics in parallel tube set systems with type-Z and type-U headers［J］.Journal of Power Engineering，2008，28（4）：514-518.

［6］STUMPER J，STONE C.Recent advances in fuel cell technology at Ballard［J］.Journal of Power Sources，2008，176（2）：468-476.

［7］PARK C Y，HRNJAK P.CO2flow condensation heat transfer and pressure drop in multi-port microchannels at low temperatures［J］.International Journal of Refrigeration，2009，32（6）：1129-1139.

［8］ZHANG Lifeng，BI H T，WILKINSON D P，etal.Gas-liquid two-phase flow patterns in parallel channels for fuel cells［J］.Journal of Power Sources，2008，183（2）：643-650.

［9］聶晶堯，宋宏宇，袁向前，等.微通道中兩相流壓降與傳質(zhì)的研究［J］.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2007，23（4）：309-314. NIE Jingyao，SONG Hongyu，YUAN Xiangqian，et al.Study on two-phase flow pressure drop and mass transfer in micro-channels［J］.Chemical Reaction Engineering and Technology，2007，23（4）：309-314.

［10］TSHUVA M，BARNEA D，TAITEL Y.Two-phase flow in inclined parallel pipes［J］.International Journal of Multiphase Flow，1999，25（6／7）：1491-1503.

［11］HETSRONI G，MOSYAK A，SEGAL Z，etal.Two-phase flow patterns in parallel micro-channels［J］.International Journal of Multiphase Flow，2003，29（3）：341-360.

［12］DARIO E R，TADRIST L，PASSOS J C.Review on two-phase flow distribution in parallel channels with macro and micro hydraulic diameters：main results，analyses，trends［J］.Applied Thermal Engineering，2013，59（1／2）：316-335.

［13］MEHENDALE S S，SHAH R K，JACOBI A M.Fluid flow and heat transfer at micro-and meso-scales with application to heat exchanger design［J］.Applied Mechanics Reviews，2000，53（7）：175-193.

［14］KANDLIKAR S G.Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and micro-channels［J］.Exp Therm Fluid Sci，2002，26（2／3／4）：389-407.

［15］SERIZAWA A，F(xiàn)ENG Ziping，KAWARA Z.Twophase flow in microchannels［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26（6／7）：703-714.

［16］LEE H J，LEE S Y.Pressure drop correlations for two-phase flow within horizontal rectangular channels with small heights［J］.International Journal of Multi-phase Flow，2001，27（5）：783-796.

［17］LEE J，MUDAWAR I.Two-phase flow in high-heatflux micro-channel heat sink for refrigeration cooling applications：Part I—pressure drop characteristics［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48（5）：928-940.

［18］YU W，F(xiàn)RANCE D M，WAMBSGANSS M W，et al.Two-phase pressure drop，boiling heat transfer，and critical heat flux to water in a small-diameter horizontal tube［J］.International Journal of Multiphase Flow，2002，28（6）：927-941.

［19］KIM S M，KIM J，MUDAWAR I.Flow condensation in parallel micro-channels—Part 1：experimental results and assessment of pressure drop correlations［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55（4）：971-983.