Применение двулучевого лазерного сканирования для изучения структуры газожидкостного течения в прямоугольном микроканале с Т-образным смесителем Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 532.529.5

ПРИМЕНЕНИЕ ДВУЛУЧЕВОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ МИКРОКАНАЛЕ С Т-ОБРАЗНЫМ СМЕСИТЕЛЕМ

Герман Васильевич Барткус

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, лаборант, тел. (913)750-13-11, e-mail: [email protected]

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: [email protected]

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: [email protected]

Работа направлена на проведение экспериментального исследования газожидкостного течения в прямоугольном микроканале 250 х 315 мкм с Т-образным входом. Визуализация режимов течения осуществлялась с помощью высокоскоростной видеосъемки. С помощью двулучевого лазерного сканирования определены режимы двухфазного газожидкостного течения, получены статистические характеристики двухфазного течения.

Ключевые слова: микроканал, газожидкостное течение, структура течения, метод дву-лучевого лазерного сканирования.

APPLICATION OF TWO-BEAM LASER SCANNING METHOD FOR STUDYING THE STRUCTURE OF GAS-LIQUID FLOW IN RECTANGULAR MICROCHANNEL WITH T-SHAPE ENTRANCE

German V. Bartkus

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, laboratory, tel. (913)750-13-11, e-mail: [email protected]

Igor A. Kozulin

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (923)182-08-97, e-mail: [email protected]

Vladimir V. Kuznetsov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Dr. Sc., The Head of Multiphase Systems Laboratory, tel. (383)330-71-21, e-mail: [email protected]

The work is aimed at carrying out an experimental study of gas-liquid flow in the rectangular microchannel 250 х 315 micron with T-shape entrance. Visualization of flow regimes was carried out using high-speed video. With the help of a two-beam laser scanning method the two-phase gasliquid flow regimes were defined, the statistical characteristics of two-phase flow were obtained.

Key words: Microchannel, gas-liquid flow, flow structure, a two-beam laser scanning method.

В настоящее время наблюдается рост интереса к исследованиям в области гидродинамики и теплообмена в каналах с размером порядка капиллярной постоянной [1]. Данная работа направлена на проведение экспериментальных исследований механизма гидродинамических процессов, при течении жидкости, в прямоугольном микроканале с поперечными размерами 250 х 315 мкм. В работе определены закономерности распределения фаз и статистические характеристики структуры газожидкостного течения вода-азот с использованием оптического метода, двулучевого лазерного сканирования потока [2]. Метод основан на сканировании двухфазного потока двумя лазерами на двух расстояниях от входа в канал и был использован в работе [3], для определения карт режимов течения, при кипении хладонов R134a и R245fa в одиночных трубках диаметром 0.509 и 0.79 мм.

Схема экспериментального стенда для изучения структуры двухфазного течения в горизонтальном микроканале 250 х 315 мкм c Т-образным входом представлена на рис. 1.

2 1

Рис. 1. Экспериментальный стенд для изучения двухфазного газожидкостного течения в горизонтальном прямоугольном микроканале 250 х 315 мкм

В экспериментальной установке сжатый газ-азот (N2) поступал из баллона (1) через расходомер газа EL-FLOW F-201CV (3) в прямоугольный микроканал (5). Прямоугольный микроканал крепился жестко на швеллере, к которому крепилась оптическая система визуализации течения, длина канала составляет 270 мм. Дистиллированная вода поступала из бака (2), далее через термомассовый регулятор расхода жидкости Bronkhorst LIQUI-FLOW (3) и попадала в Т-образный смеситель (4) прямоугольного микроканала (5). Формирование двухфазного потока в микроканале происходило с помощью внутреннего Т-образного входа. На один из входов которого подавалась дистиллированная вода из бака (2), а на другой вход подавался газ - азот (N2). В качестве газовой фазы был выбран азот, чтобы уменьшить влияние растворимости газа в воде. Давление на входе в Т-образный смеситель измерялось образцовым манометром. При определении объемного расхода газа в заданном сечении микроканала вводилась поправка на плотность газа в этом сечении, которая определялась по давлению в соответствии со справочными данными [4]. На выходе из экспериментального участка газожидкостная смесь свободно стекала в открытый бак.

Средний гидравлический диаметр микроканала равен Dh = 279 мкм, что существенно меньше капиллярной постоянной для воды, равной 2.72 мм. Определение длин газовой и жидкой перемычки осуществлялось с помощью метода лазерного сканирования. Метод основан на сканировании двухфазного потока двумя лазерами KLM D635-1-5 с выходной мощностью 1 мВт и длиной волны лазерного излучения 635 нм. Первый лазер (7) располагался на расстоянии 30 мм, второй лазер располагался на расстоянии 80 мм от Т-образного смесителя двухфазного потока. Питание лазеров осуществлялось источником напряжения TEC-42 (8). Интенсивность сфокусированных световых пучков определяется фотодиодами (6), расположенными на противоположной стороне канала. Сигналы с фотодиодов регистрировались с помощью платы АЦП (Lcard L-264), и обрабатывались на компьютере (10). Для определения соответствия интенсивности излучения света газовой или жидкой фазе производится калибровка сигнала с фотодиода. Установлено, что максимальный уровень сигнала с фотодиода соответствует жидкости, а нижний уровень сигнала соответствует газовой фазе. Оцифровка сигнала осуществлялась с частотой 5 кГц. Визуализация течения проводилась при помощи высокоскоростной видеокамеры Optronis CR600x2. Частота видеосъемки составляла 1250 кадр/c.

Границы режимов течения в прямоугольном микроканале определены с использованием статистических характеристик и Фурье-спектра результатов лазерного сканирования. Установлено, что периодический режим с удлиненными пузырями, переходной и кольцевой режимы течения являются определяющими в микроканале.

Периодический режим течения с удлиненными пузырями в горизонтальном микроканале наблюдается в диапазоне приведенных скоростей жидкости и газа Jliq = 0.035^0.109 м/с, Jgas = 0.087^0.077 м/с. На рис. 2, а приведен сигнал с первого фотодиода для периодического течения с удлиненными пузырями и визуализация течения. Из рисунка видно, что наблюдается последовательное чередование газовых и жидких перемычек. На рис. 2, б представлен Фурье спектр сигнала. Из Фурье спектра видно, что основная частота следования газовых снарядов-перемычек составляет f = 190 Гц.

0.25-, 0.200.15>

3 0.100.05-

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t, ms

1.0-, 0.8-< 0.60.40.20.0

„jjk,

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Hz

а) б)

Рис. 2. Характеристика режима течения с удлиненными пузырями для приведенных скоростей жидкости и газа Jliq = 0.071 м/с, Jgas = 0.565 м/с: а) оптический сигнал с фотодиода; б) Фурье-спектр режима течения

При увеличении приведенной скорости газа периодичность следования снарядов нарушается и происходит переход к переходному течению, в диапазонах приведенных скоростей жидкости и газа: Jliq = 0.035^0.109 м/с, Jgas = 0.75^4.03 м/с. В Фурье спектре сигнала для переходного режима течения, кроме основной частоты, появляются дополнительные гармоники.

С увеличением приведенной скорости наблюдается переход к кольцевому течению с волнами. Данный режим наблюдается в диапазоне приведенных скоростей жидкости и газа: Jнq=0.035^0.088 м/с, Jgas=4.72^21.35 м/с. На рис. 3, (а) представлен сигнал с первого оптического канала для кольцевого течения с волнами и визуализация течения. На рис. 3, (б) представлен Фурье спектр для кольцевого течения, в Фурье спектре нет явно выделенных частот движения газовых перемычек. При кольцевом течении газовое ядро находится в центре канала, а жидкость течет в виде пленки по стенкам микроканала.

0.25-| 0.200.150.100.050.00

N

^ьт^г

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 тэ

а)

1.0 0.8 0.6 0.40.2-

0.0

0 50 100 150 200 250 300 Иг

б)

Рис. 3. Характеристика кольцевого режима течения для приведенных скоростей жидкости и газа Jliq = 0.071 м/с, Jgas = 4.73 м/с:

а) оптический сигнал с фотодиода; б) Фурье-спектр режима течения

Установлены статистические характеристики распределений длин газовых и жидких перемычек. Для каждого режима течения определено среднеквадратичное отклонение а или корень из дисперсии статистической величины. Среднеквадратичное отклонение а позволяет определить ширину статистических распределений. На рис. 4а представлена зависимость среднеквадратичного отклонения распределений газовых перемычек от приведенной скорости газа в диапазоне приведенной скорости жидкости Jliq = 0.07^0.072 м/с. Было выявлено, что при смене режима течения от периодического режима к непериодическому (переходному) наблюдается увеличение среднеквадратичного отклонения а. На рис. 4а пунктирной линией показана граница периодического течения.

На рис. 4б представлена зависимость относительного времени пребывания (времени жизни) перемычек газа и жидкости от приведенной скорости газа, которое определялось из отношении времени пребывания газовой или жидкой фазы к общему времени измерения сигнала. Время жизни газовой фазы обозначено на рис. 4б треугольным маркером, время жизни жидких перемычек представлено круглым маркером и определялось в зависимости от приведенной

скорости газа. Приведенная скорость жидкости фиксирована в диапазоне Jiiq=0.07^0.072 м/с. На рисунке, для определения наличия жидких пробок, данные представлены для уровня сигнала, равного 0.8 от уровня сигнала, соответствующего полному заполнению канала жидкостью. С увеличением приведенной скорости газа жидкие пробки в микроканале исчезают, и относительное время нахождения лазерного луча в газовой фазе tau/T достигает единицы. В этом случае наблюдается переход к кольцевому течению с непрерывным газовым ядром. Переход от переходного к кольцевому течению обозначен на рис. 4б пунктирной линией.

60 50 i 40

I 30

eg

■S3 20 10 0

1

0.8

н 0.6

"ä ö

- 0.4

0.2 0

ддДДД '

)0Qoon

Д gas о liq

J„as, М/С

0123456789 10

Jgas, М/С

Рис. 4а. Зависимость среднеквадратичного отклонения распределений газовых перемычек от приведенной скорости газа

Рис. 4б. Зависимость относительного времени пребывания перемычек жидкости и от приведенной скорости газа при уровне 0.8 (диапазон приведенной скорости жидкости Jнq=0.07^0.072 м/с)

0

2

4

6

В результате выполненных работ экспериментально получена структура газожидкостного течения в прямоугольном миниканале 250x315 мкм. 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.

Исследование выполнено в ИТ СО РАН при поддержке гранта РФФИ № 15-08-07506 А.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Kandlikar S. G., Grande W. J. Evolution of microchannel flow passages - thermo hydraulic performance and fabrication technology // Heat Transfer Engng. - 2003. - Vol. 24, No. 1. - P. 3-17.

2. 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.

3. 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.

4. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М. : Наука, 1972. - 720 с.

© Г. В. Барткус, И. А. Козулин, В. В. Кузнецов, 2017