CC BY
25
УДК 621.1.016:536.42
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ МИКРОКАНАЛЕ
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 1, инженер, тел. 8-923-182-0897, e-mail: [email protected]
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, зав. отделом теплофизики многофазных систем, e-mail: [email protected]
В работе изучена структура потока и градиенты давления при двухфазном газожидкостном течении в микроканале прямоугольного сечения с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной. Изучение структуры потока осуществлялось с помощью видеосъемки и методом лазерного сканирования течения.
Ключевые слова: микроканал, газожидкостное течение, режимы течения, скорость снарядов, статистические характеристики потока.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF TWO-PHASE FLOW IN RECTANGULAR MICROCHANNEL
Igor A. Kozulin
Institute of Thermophysics SB RAS, pr. Akademika Lavrentjeva, 1, Novosibirsk 630090, engineer, tel. 8-923-182-0897, e-mail: [email protected]
Vladimir V. Kuznetsov
Institute of Thermophysics SB RAS, pr. Akademika Lavrentjeva, 1, Novosibirsk 630090, Dr. Sc., Head Laboratory of multiphase systems, e-mail: [email protected]
In this paper was observed the structure of the flow and pressure gradients of two-phase gasliquid flow in the microchannel with rectangular cross section and dimension substantially less than the capillary constant. The study of the flow structure was carried out using video and the method of laser scanning flow.
Key words: microchannel, gas-liquid flow, flow regimes, slug velocity, the statistical characteristics of the flow.
1. Введение
Микроканальные системы в последнее время начинают применяться в электронике для охлаждения процессоров суперкомпьютеров, в энергетике, химических и медицинских технологиях. Это связано, как со значительным увеличением поверхности тепло и массообмена при переходе к каналам микронного размера, так и с возможностью организации новых режимов течения для каналов, с поперечным размером значительно меньше капиллярной постоянной. В литературе имеется достаточно много работ по исследованию
восходящих и горизонтальных газожидкостных потоков для труб малого диаметра. В работах [1, 2] представлен обзор работ по режимам газожидкостного течения в круглых и прямоугольных трубах малого размера. Большинство работ по исследованию двухфазных течений в трубах малого размера посвящены рассмотрению режимов течения, были выделены три основные режимы течения: изолированные пузырьки, сжатые пузырьки и кольцевое/снарядное течение. В данной работе проводилось исследование структуры двухфазного течения вода-азот в горизонтальном прямоугольном микроканале с размерами 0,217х0,370 мм и гидравлическим диаметром 274 мкм, то есть в канале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной, равной для воды 2,7 мм.
2. Экспериментальная установка
Схема экспериментальной установки для изучения гидродинамики двухфазного газожидкостного потока представлена на рис. 1. В экспериментальной установке сжатый газ (N2) поступал из баллона (1) через цифровой регулятор расхода газа (3) в экспериментальный участок (5). Вода поступала из бака (2) через цифровой термо-массовый регулятор расхода жидкости LIQUI-FLOW L30, и далее в Т-образный смеситель, где проводилось смешивание жидкости и газа, в прямоугольный микроканал. Поперечный размер микроканала равен 0,217х0,370 мм, длина 300 мм. На выходе из экспериментального участка газожидкостная смесь разделялась, и вода откачивалась перистальтическим насосом (9) в открытый бак. Для исследования режимов газожидкостного течения использовался метод двойного лазерного сканирования. В данном методе два лазера (7) располагались так, что лазерные лучи освещали длинную сторону прямоугольного канала с диаметром светового пятна порядка поперечного размера канала. Расстояние между лучами равно 53 мм. Питание лазеров осуществлялось с помощью источника напряжения TEC-42 (8). Интенсивность прошедшего света измерялась с помощью фотодиодов (6), расположенных на противоположной стороне канала. Сигналы с фотодиодов регистрировались с помощью высокоскоростной платы АЦП (Lcard L-264) и обрабатывались на компьютере (11). Оцифровка сигнала осуществлялась с частотой 5 кГц. С лицевой стороны канала, проводилась визуализация течения при помощи цифровой видеокамеры AOS X-Pri (10).
а) б)
Рис. 1. Схема экспериментального стенда для моделирования горизонтального газо-жидкостного течения в микроканале - (а), и фото экспериментального стенда для изучения гидродинамики горизонтального течения - (б)
3. Режимы течения
Применение метода непрерывного лазерного сканирования потока позволило детально изучить структуру двухфазного потока в микроканале прямоугольного сечения. В результате проведенных исследований были определены режимы течения. Режимы течения определялись как по визуализации течения с помощью скоростной видео камеры, так и с помощью лазерного сканирования. Получено, что основными режимами течения в микроканале являются режим течения с периодическими и непериодическими удлиненными пузырями (аналог снарядного течения) и кольцевое течение.
Периодическое течение с удлиненными пузырями наблюдается в микроканале в диапазонах приведенных скоростей и чисел Рейнольдса по жидкости J1iq=0,035-0Д92 м/с (Ке^=10^53) и газа Jgas=0,08-0,67 м/с ^е^=2^12). Оно характеризуется последовательным прохождением удлиненных пузырей и жидких пробок, и длина пузырей возрастает с увеличением расхода газа. На рис. 2 приведены сигналы с фотодиода и визуализация течения для течения с короткой и длинной жидкой перемычкой.
а) б)
Рис. 2. Оптический сигнал с фотодиода и визуализация для снарядного периодического режима течения а) Jliq=0,052 м/с, Jgas=0,083 м/с б) Jliq=0,036 м/с,
Jgas=0,212 м/с
Непериодическое течение с удлиненными пузырями наблюдается в диапазоне приведенных скоростей жидкости Jliq=0,035^0,088 м/с ^ен,}=10^24) и газа Jgas=0,68-4,2 м/с ^е1^=10,7^75). На рис. 3 (а) представлен сигнал с фотодиода и визуализация течения для этого режима течения. В отличие от эмульсионного течения для каналов с гидравлическим диаметром больше 1 мм, снарядный непериодический режим не характеризовался разрушением заднего фронта снаряда. Газовые снаряды, движущиеся в микроканале, имеют разную длину, при этом более короткие снаряды газа могут догонять более медленные длинные и объединяться.
С увеличением приведенной скорости газа наблюдался переход к кольцевому режиму течения. Данный режим наблюдался при скоростях жидкости ^=0,035-0,088 м/с ^е1к1=10-24) и газа Jgas=4,15-20,0 м/с ^е^=74-357), На рис. 3 (б) представлена визуализация кольцевого режима
течения. Из визуализации видно, что кольцевое течение характеризуется тем, что газовое ядро движется в центре канала, жидкость при этом течет в виде устойчивой волновой пленки по стенкам микроканала.
тс тс
а) б)
Рис. 3. Оптический сигнал с фотодиода и визуализация для снарядного непериодического течения Jliq=0.055м/с, Jgas=0.627 м/с - (а) и оптический сигнал с фотодиода и визуализация течения для кольцевого режима течения при
^ч=0.052м/с, Jgas=4.152 м/с - (б)
На рис. 4 приведена карта режимов течения для микроканала 0,217x0,370 мм. Проведено сравнение режимов с модифицированной моделью М1вЫта К., ЬЫ1 М., которая предложена в работе [3]. При сравнении видно, что модель не удовлетворительно описывает границы режимов течения в микроканале. Это связано с тем, что в работе не учитывается эффекты стеснения и доминирования капиллярных сил в каналах с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной.
Рис. 4. Карта режимов течения в микроканале с размерами 0,217x0,370 мм и сравнение границ режимов с расчетом по модифицированной модели М1вЫта К., ЬЫ1 М. [3], где S-область снарядного режима, С - эмульсионного, А -кольцевого, А^ - дисперсно-кольцевого течения
4. Перепад давления
Проведено измерение градиентов давления в горизонтальном микроканале 0,217x0,370 мм и соотношением сторон 0,729. Число Пуазейля для микроканала
составило 15,08. В микроканале измерялся перепад давления для однофазного и двухфазного течения до 30 кПа. Ограничение связано с возможностью разрушения микроканала при больших перепадах давления.
На рис. 5 (а) представлена зависимость фактора трения от числа Рейнольдса для однофазного и двухфазного течения. Число Рейнольдса построено по гомогенной модели Dukler е1 а1. [4]. Все точки лежат в области ламинарного течения. Из рисунка видно, что экспериментальные точки лежат существенно выше расчета по гомогенной модели [4]. С увеличением приведенной скорости потока данные для двухфазного потока при кольцевом режиме течения стремятся к расчету по гомогенной модели.
f
: Д Gas
- □ Liq ~ Л Slug/periodic
0 Slug
- not periodic О Annular
^ Снарядный режим течения ; ; i+2 i>
0.04 0.08 0.12 0.16 Dp_exp, МПа/м
а) б)
Рис. 5. а) Коэффициент сопротивления для однофазного и двухфазного режимов течения б) Сравнение двухфазного перепада давления в микроканале между экспериментом и расчетом по модели Kreutzer M.T. et.al. [5]
10
0
10
00
000
На рис. 5 (б) приведено сравнение измеренных градиентов давления для двухфазного течения с расчетом по модели [5], предложенной для микроканалов. Данная модель построена для снарядного режима течения, для которого длины газового снаряда и жидкой перемычки определялись с помощью визуализации и метода лазерного сканирования. Как видно на рисунка, модель аппроксимирует экспериментальные данные с ошибкой меньше +20%.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 11-08-01140-а.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Coleman J.W., Garimella S. Characterization of two-phase flow patterns in small diameter round and rectangular tubes // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1999. - V. 42, № 15. - P. 2869-2881.
2. Sarisorn, S., Wongwises, S. Review of two-phase gas-liquid adiabatic flow characteristics in micro-channels // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2008. - V12, № 3. - P. 824-838.
3. Козулин И.А., Кузнецов В.В. Статистические характеристики двухфазного газожидкостного потока в вертикальном микроканале // Прикладная механика и техническая физика. - 2011. - Т. 52, N 6. - С. 129-139.
4. Dukler A. E., Wicks M., and Cleveland R. G. Frictional pressure drop in two-phase flow // AIChE J. - 1964. - Vol.10(1). - P. 38-51.
5. Kreutzer M.T., Kapteijn F., Moulijn J.A., Kleijn C.R., Heiszwolf J.J. Inertial and interfacial effects on pressure drop of Taylor flow in capillaries // AIChE J. - 2005. - Vol. 51(9). - P. 2428-2440.
© H.A. Kosynuu, B.B. Ky3ue^e, 2012
