（化学工艺专业论文）气液、气液固微反应器流动特性.pdf

中文摘要 微通道中多相流动压降是微反应器设计与放大必需的重要参数，而微通道中 多相流动压降又与流型密切相关。近年来，人们对微通道中气液两相流动特性进 行了较深入的研究，但尚未很好地解决流型的划分与压降准确预测的问题；而对 于微通道中气液固三相流动特性的研究尚未见文献报道。 本文在内径4 0 0 um 的玻璃圆形微通道中，进行了气液两相和气液固三相流动 特性的研究。实验过程中液相为水、乙醇、两种不同浓度的c m c 水溶液，气相 介质为氮气，固相为纳米二氧化硅。 实验中通过高速摄像，在两相流和三相流均观测到了泡状流、弹状流、弹 环形状流、扰动流和环形流等流型。以w 吣、w e g s 、r e z s 、r e o s 、尝为输入参 数，采用b p 神经网络可以很好地预测微通道内的气液两相流的流型，辩识率为 9 6 7 ；以w e p s l s 、w e a s 、r e p s l sir e o s 、五p 了g 、帆为输入参数，采用b p 神经 网络可以很好地预测微通道内的气液固三相流的流型，辩识率为9 7 8 。 利用神经网络的分区结果，对气液微通道中各区压降预测公式进行了研究， 得到了如下结果：在扰动流、泡状流区域，选用平均动能法能很好地预测流动压 降，平均动能法中的比例系数被修正为：1 2 = 0 0 3 8 7 e x p ( 0 0 0 2 1 木爿；在弹状 ： “g 流区，采用k r e u t z e r 等【7 4 】的压降预测公式和神经网络预测弹状长度相结合，可以 较好地预测该区域的压降；在弹环状流区，d l l k l c r 模型在与弹状流与弹环状流 转换区域得到了很好的结果，平均动能法在弹环状流和环状流之间的转换区域 得到了很好的预测结果；在环状流区域，采用基于气相乘数乙的方法可以很好 地预测流动压降。 对气液固微通道中各区压降预测中，挠动流、泡状流、弹状流和弹环状流 区，选用平均动能法能很好地预测流动压降，平均动能法中的比例系数被修正为 a - - 0 0 1 5 ，其与二氧化硅质量含量无关；在环状流区域，采用的是基于气相乘数乙 的方法来预测流动压降。 关键词：微通道气液两相流气液固三相流压力降流型 a bs t r a c t m u l t i - p h a s ef l o wp r e s s u r ed r o pi nm i c r o c h a n n e l si sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt o d e s i g na n ds c a l e u po fm i c r o r e a c t o r s f l o wp a t t e r n si nm i c r o c h a n n e l sg r e a t l yi n f l u e n c e t h i sm u l t i - p h a s ef l o wp r e s s u r ed r o p a l t h o u g hg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wp r o p e r t i e si n m i c r o c h a n n e l sh a v eb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e dr e c e n t l y , i ti sn o ts o l v e dy e tt oc l a s s i f y t h er e l a t e df l o wp a t t e r n sa n dt op r e d i c tt h ep r e s s u r ed r o pa c c u r a t e l y s of a rn or e p o r t w a sf o u n d a b o u tt h ef l o wp r e o p e r t i e so ft h r e e - p h a s ef l o wi nm i c r o c h a n n e l s i nt h et h e s i s t w o - p h a s ea n dt h r e e - p h a s ef l o wp r o p e r t i e s w e r es t u d i e di n m i c r o c h a n n e l sw i t ht h ed i a m e t e ro f4 0 0 um t h el i q u i dp h a s eu s e dw a sw a t e r ，e t h a n o l ， c m ca q u e o u ss o l u t i o nw i t ht w od i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s ，t h eg a sp h a s ew a sn i 仃o g e n ， a n dt h es o l i dw a ss i l i c an a n o p a r t i c l e s f l o wp a t t e r n s ，s u c ha s b u b b l y ，s l u g ，s l u g - a n n u l a r ，c h u ma n da n n u l a rf l o w ，w e r e r e c o r d e df o rb o t ht w o - p h a s ea n dt h r e e - p h a s et h r o u g hh i g h - s p e e dp h o t o g r a p h y b p n e u r a ln e t w o r kw a sp r o v e dt op r e d i c tt h et w o - p h a s ef l o wp a t t e r n si nm i e r o c h a n n e l s u s i n gw e z s 、w e a s 、r e l s 、r e o sa n d 盖a si n p u tp a r a m e t e r s ，i t si d e n t i f i e da c c u r a c y i s9 6 7 w h i l ef o rt h r e e - p h a s ef l o wi nm i c r o c h a n n e l s ，b pn e u r a ln e t w o r kc a na l s o p r e d i c tf l o wp a t t e r n sw i t ha ni d e n t i f i e da c c u r a c y9 7 8 u s i n gw e p s l s 、w e o s 、r e e s 嬲、 r e a s 、石p g 、w sa si n p u tp a r a m e t e r s p r e s s u r ed r o pp r e d i c t i o nm o d e l sw e r es t u d i e df o rd i f f e r e n tf l o wr e g i o n si n g a s l i q u i dm i c r o c h a n n e l sa c c o r d i n gt oi n d e n t i f l e dr e s u l t so fn e u r a ln e t w o r k f o rt h e c h u ma n db u b b l yf l o w , a v e r a g ek i n e t i ce n e r g ym o d e lc a nb eu s e dt oe s t i m a t ef l o w p r e s s u r ed r o p s ，t h ec o r r e s p o n d i n gp r o p o r t i o n a l c o e f f i c i e n tw a sm o d i f i e da s ： 口= 0 0 3 8 7 e x p ( 0 0 0 2 1 * 马f o rt h es l u gf l o w ，t h ep r e s s u r ed r o pc a nb ee s t i m a t e db y c o m b i n i n gt h ee q u a t i o hu o fk r e u t z e rw i t ht h en e u r a ln e t w o r km o d e la b o u tt h es l u g l e n g t h f o rs l u g - a n n u l a rf l o w , d u k l e rm o d e lc a np r o v i d eg o o de s t i m a t i o no fp r e s s u r e d r o p si nt h et r a n s f o r m i n gr e g i o nb e t w e e ns l u ga n ds l u g - a n n u l a rr e g i o n ，w h i l ea v e r a g e k i n e t i ce n e r g ym o d e li sg o o dt oe s t i m a t et h ep r e s s u r ed r o pi nt h et r a n s f o r m i n gr e g i o n b e t w e e ns l u g a n n u l a ra n da n n u l a rr e g i o n f o ra n n u l a rf l o w , t h em o d e lb a s e do n 之 f a c t o ri sg o o dt oe s t i m a t et h ep r e s s u r ed r o p i n g a s - l i q u i d - s o l i dm i c r o c h a n n e l s ，a v e r a g ek i n e t i ce n e r g ym o d e li sg o o dt o e s t i m a t et h ep r e s s u r ed r o pf o rt h ec h u m ，b u b b l y , s l u ga n ds l u g a n n u l a rf l o ww i t ha p r o p o r t i o n a lc o e f f i c i e n to f0 0 15 。w h i c hi si n d e p e n d e n to fs i l i c ac o n c e n t r a t i o n f o r a n n u l a rf l o w , t h em o d e lb a s e do n 乙f a c t o ri sg o o dt oe s t i m a t et h ep r e s s u r ed r o p k e yw o r d s ：m i c r o c h a n n e l ，g a s - l i q u i df l o w ，g a s l i q u i d - s o l i df l o w ，p r e s s u r e d r o p ，f l o wp a t t e r n 符号说明 符号说明 毛细管常数 水力直径 摩擦系数 d a r c y 系数 弹状长度 表观速度 质量流率 质量含量 韦伯数 雷诺数 体积流量 泊肃叶数 l o c k h a r t - - m a r t n e l l i 参数 总的表观速度 质量流动特性 平均动能 气含率 孔隙率 粘度 密度 入口度 表面张力 两相摩擦系数 口l r i 符 鞋 文 岬瞥 嬲劬厂局lg砜贴y h 石u x一夕 s 肛p y 。矿 符号说明 下角标 g y h 三 d p s l p s t 阳 砰 卿 气相 混合 液相 两相混合质量流量g 下的气相 拟液相 拟液相和气相的三相混合体系 两相混合质量流量g 下的液相 两相 三相 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：哆姒 签字日期：仇岬 年月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠蕉堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：哆廷菇 ：彦许 签字日期：2 们年7 月2 - 日签字日期：2 岬年月27 日 前言 - i l - - _ 刖舌 2 0 世纪9 0 年代以来，随着纳米材料以及微电子机械系统( m e m s ) 的不断发展， 微型化逐渐成为了世界科技发展的主流方向之一。微通道由于流体通道尺寸的减 小，相应的面积体积比显著的提高，从而有利于强化传质和传热过程，使得其在 化工领域得到了越来越广泛的应用，微化工技术已经成为未来化工发展最主要的 方向之一。 微化工设备主要包括微混合器、微换热器和微反应器等，内部通道结构尺寸 一般定义为1 0 5 0 0 1 tr l l 之间【l 】，它是指采用“微技术 或“精密机械 加工而成 的微型化的系统。与传统化工设备相比，微化工设备具有传递速率高、易于直接 放大、设备安全性高、易于控制、适应面广等优点，可实现过程连续和高度集成、 分散与柔性生产。 目前，微设备主要应用于药物、催化剂、新材料开发等组合化学的高新技术 领域。预计未来5 - - 一1 5 年，微化工技术将会在高效传热传质设备、精细高值化学 品、基于微反应技术的新过程、危险品就地生产和分散资源就地转化以及国家安 全所涉及的化学化工系统等领域得到广泛应用。微化工技术的成功开发与应用将 会改变现有化工设备的性能、体积、能耗和物耗，并会极大地拓宽它的应用面， 将是现有化工技术和设备制造的一项重大突破，也将会对整个化学化工领域产生 重大影响【2 5 】。而微系统内热与流体动力控制是化工系统进行微小化、精密化、 高密度化时最大的挑战之一，其中许多技术的发展与微流体息息相关。 当流体在大管道内流动时，一般皆在紊流范围内，但在微细的管道内，流体 的流动都将变为层流。许多在宏观领域适用的理论并不适用于微流体，微小通道 中的流动呈现出一些与宏观流动不同的现象，在宏观流动中可忽略的一些影响因 素变得很重要，尺度效应【6 、表面力【8 - l o 】等因素成了影响微流体的主要因素。本 论文在总结前人理论的基础上，进行了微管道中气液两相流和气液固三相流流动 特性的研究，采用神经网络对流动参数和流型进行关联，建立了预测流型的神经 网络模型，采用神经网络流型预测结果，对各流型的压降预测公式进行了研究， 获得了合理的摩擦压降关联式。 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬琢尬 由微通道组成的微设备系统具有精密微小、传热与传质效率高以及结构紧凑 等特点，它在微化工、生物工程、微电机技术、半导体换热等领域有着广泛的应 用前景。目前基础研究与应用研究，主要包括微流动和微热系统。由于尺度效应 【每7 1 、表面效应o 】等因素的影响，很多适用于宏观尺度的流动规律并不适用于微 通道中的流体流动。研究人员对影响微流动的尺度效应、表面力、气泡、相对表 面粗糙度【6 】及流体极性等因素进行分析，总结了一系列的规律 l - 1 4 】，取得了一定 的进展，但这主要是集中于单相流，对微管道中两相流的研究还很不充分，而关 于微通道中三相流动过程的研究目前尚未见报道。 1 1 微通道的概念和分类 微通道的概念是在2 0 世纪8 0 年代初，由t u c k e r m a n 和p e a s e 1 5 - 1 6 提出的，最 初是用来解决微电子器件的热控制问题。目前，国际上通常将大于l m m 的尺度 称为宏观尺度，1pm l m m 的尺度称为微尺度，微流体研究的特征尺寸目前一般 在微尺度量级，按当量直径的范围，通道的特征尺寸一般划分为： 常规通道d h 3 m m 细通道2 0 0 pm d 。 3 m m 微通道 1 0pm d b 2 0 0pm 最初微通道是刻蚀在硅片上的，之后人们也尝试用陶瓷、不锈钢片和塑料等 材料制作微通道，在一定程度上取得了成就【1 1 。近年来，为了满足观察通道内流 体流动形态得要求，一般采用玻璃作为材料。玻璃作为微微通道的材料，除了透 明便于观察外，还具有耐酸、耐高温、优良的光学和电渗等性能，已广泛用于制 作微通道。微通道的制造技术是从传统制造技术( 轧和锯) 的小型化，逐步发展 。到用于半导体制造业的现代技术，如各种湿法化学刻蚀法，等离子干法刻蚀法和 ：表面微加工等【1 7 1 。这些现代技术可刻蚀出适合微升或皮升级的流体流动的微通 道。 第一章文献综述 1 2 国内外研究进展 1 2 1 单相流 对于微管道中气相和液相的单相流流动，研究人员实验已经证实它的流体流 动和传热行为与宏观尺度下的规律有所偏离，如由层流到湍流过渡的临界 r e y n o l d s 数减小。对此现象尚无统一的解释，普遍的原因可归结于表面效应、端 效应、可压缩性及稀薄气体效应等因素。 针对气体在微通道内的流动，b e s k o k 1 8 】指出了一个很重要参数一k n ，它表 征了气体的稀薄效应，并指出了气体在微通道内流动与传热取决k n 的范围。在： k u 吣 0 0 0 1 范围内，控制方程为n i s 方程，边界条件为无滑移边界条件，通常 称之为连续流动；在0 0 0 1 k n 0 1 范围内，流动由n 二s 方程和滑移边界条 件来描述，通常称为滑移流动；在0 1 k n 1 0 范围内，分子间的碰撞急剧 减少，分子表面的碰撞控制流动，称为自由分子流动。b e s k o k 1 9 】采用新的滑移边 界条件，并且采用了谱元法对微通道后台阶流动进行了数值模拟，同时与直接模 拟蒙特卡罗的结果作了比较，两者吻合得较好。 目前关于微管道中流动特性研究的方法主要有理论模拟与实验研究。由于实 验装置和研究方法的不同，因此采用的理论模型和最后获得的表达式的形式也不 尽相同。表1 1 总结了近期有关微管道中单相流试验的数据及结论。 表1 1 微管道中单相流实验研究一览 t a b l e l - 1e x p e r i m e n t a ls t u d i e so f t h es i n g l e - p h a s ef l o wi nm i c r o c h a n n e l s 第一章文献综述 从表1 1 可以看出，到现在为止还没有一个实验关联式能普遍的适用于各种 条件的微管道；研究者对微管道中的流动现象的解释存在着分歧。因此，对于微 管道中流动特性方面的研究还有待深入。 1 2 2 两相流 在实际应用过程中，两相流动的三个主要特征参数是：流型、相含率和压降， 而相含率和压降往往与流型密切相关。所以要更加准确的计算相含率和压降，就 必须知道在特定条件下的流型。关于微管道中两相流的研究是从8 0 年代初期开 始的，已经获得了一些微管道中两相流的流动规律。但是由于研究时间短，研究 对象的限制和理论指导的缺乏，使得微管道中两相流的研究还很不充分，甚至出 现了各家的实验结果并不一致甚至相互矛盾现象【m 1 6 1 。 1 2 2 1 流型的研究 早在1 9 6 4 年，s u o 和g r i f f i t h t 2 9 1 以直径为o 5 到0 7 r a m 的水平通道为研究对象， 观测到了弹状流，弹状气泡流和环形流这些流型。对弹状流到弹状气泡流的转 变，他们提出： r e w e = 2 8 x 1 0 5 ( 1 - 1 ) 式( 1 1 ) 中r e = p 工d u 占2 9 l ( 1 - 2 ) w e = d p l u b 。2 a ( 1 3 ) u b 2 12(uls+ugsl(1-4) 第一章文献综述 根据b u c l d n g h a m 【3 m 和z l o k a r a i l d ”1 得出的结论，流型主要取决于系统的几何 参数( 如管道倾斜度和管道尺寸等) 、流体的物性参数( 密度、粘度、表面张力 等) 和流动参数( 各相的流速、流量等) 。 现在关于微通遒内两相流动形式仍投有多少系统的可用数据。s e r i z a w a 和 f e n # ”】报道说观察到了在2 5 和1 0 0 , t a n 的通道内的5 种流动形式：分散的泡竦流， 气体弹状流，液体环流液体喷射流和液体滴状流。在1 0 0 , t o n 的圆形通道和9 6 埘 的方形通道，k a w a h a t a 和c h t m g 口3 】等证实了弹状流，液体环流和被曲折的液体层 包围的气体核心流，咀及半环流，但并没有观察到分散的泡沫流和液体滴状流。 根据前人研究结果，所有在直径几百, t a n 的通道内观察到的流动形式都和小 通道( d h i m m ) 相关就像1 h p l 甜等描述直径l0 9 和1 4 5 m m l y , j 水平圆形 小通道的空气一水两相流动一样。图i - 1 是m k a w a j i 3 5 1 在2 5 0 o 圆形通道内的 流动形式记录图像。 笪! ! ! 皇童笪曼笪笪! 查笪窒笪皇笪曼笪笪舅 ( n 图i - i2 5 0 m 微通道内不同流动条件下两相流动形式 f a ) 泡沫流j l = n 9 砒j f n 2 m if b ) 弹状境k = 0 0 5 5 m s 如= j 36 1 m s ；( c ) 扰动境的旋涡 形式j l 叫2 5 m s j o = 57 1 m s ；( d ) 扰动流的曲折气体核心j l - - - - 42 5 m s j o = 57 m s ；( e ) 弹状一 环形流的液桥j l _ 01 6 r r s i o = 1 57 1 a v s ：( f ) 环形流n 卸0 15 m sj o = 1 26 5 m s f i g i - 1 i m a g e so f t h e t w o - p h a s e f l o w i na m i c r o c h a n a n e w i t h t h e d i a m e t e r o f 2 5 0 9 m ( a ) b u b b l y f l o w k = o9 9 m s j o = o2 7 r a s ，( b ) s l u g f l o w j t = o0 5 5 r o s j g = 1 36 1 r r s f c ) c h a r a f l o w j l = 42 s m s j o = 57 1 m s ，( d ) s e r p e n t i n e - l i k eg a sc o m i nc h u r n f l o wa l k = 42 5 m s 第一章文献综述 j o = 5 7 1 m s ，( e ) l i q u i db r i d g ei ns l u g - a n n u l a rf l o wa t j l - - - - 0 1 6 t w s j o f f i l 5 7 i n v s ；( f ) a n n u l a rf l o wa t j l - - - - - - 0 0 15 m sj o - = 1 2 6 5 m s 仅有少数实验研究给出了两相流动形态图。s c r i z a w a 等p 6 】得出了一张在 2 0 ：a n 圆形微通道里的空气一水流动的流动形式图。他们区别了泡沫流，弹状流， 液体环流和液体喷射流的区域，但忽略了液体滴状流。k a w a h a r a 等【3 3 】绘出了 1 0 0 a n 圆形微通道内氮气一水两相流动的流动形态图，确定了弹状一环形流，环 形一弹状流，半环流和多样流的区域。c h u n ge ta l t 3 7 】绘制了氮气一水在9 6 a n 方 形微通道的流动形式图。 表1 2 总结了前人对微通道中两相流流型的研究情况。 表1 2微管道中气液两相流流型的实验总结 t a b l c l - 2 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so f t w o - p h a s ef l o wi nm i c r o c h a n n e l s 第一章文献综述 玻璃，硅制 在管道中一般采用了流型图来预测气液两相流的流型，其中最典型的是采用 表观液竭l 作为y 轴，表观气：两g 作为x 轴构造的流型图，如t r i p l e t t 等【3 4 】s e r i z a w 棚 f e n g t 3 6 1 ，k a w a h a r a 等【3 3 1 ，c o l e m a n 和g a r i m e u a t 3 7 1 。这些流动形式图和先前在水平 和垂直放置的小通道内的空气一水两相流动形式图符合较好。图1 2 和图1 3 将 m k a w a j id 5 在5 3 0 和2 5 0 b z n 通道内的流动形式分布图和t r i p l e t t 等d 4 i 做出的 1 1 m m t j 、通道内的流型分布图相比较。在5 3 0 和2 5 0 n n 的圆形通道内的流动形式 和t r i p l e t t 等p 4 】做出的代表小通道两相流动形式的1 1 m m t j , 通道的流形图有很 多相似的地方。 善 j j g n v s 1 - 2 m k a w a j i 跚得到的流动形式分布图 ( o ) 泡沫流；( v ) 弹状流；( 口) 扰动流；( ) 弹状环形流：( a ) 环形流；( 一) 转化线 f i g 1 2 f l o wp a t t e r nm a pi nam i n i c h a n n e lr e p o r t e db ym k a w a j i 【3 5 】 ( o ) b u b b l y ；( v ) s l u g ；( 口) c h u r n ；( ) s l u g - a n n u l a r ；( ) a n n u l a r ；- - t r a n s i t i o nl i n e s ) 第一章文献综述 状驾口嗽轰。扰动漉 宁产兰：；龃一 言l 二? 冀k 蕾打 ￥主鞭0 0 f 弹状滴 ：! ，1 f 垤 曩钟弹状一环形螽- o d 越_ l 口们l l1 a1 1 0 l o l m 至 一 0 0 l f 0 1l 8 0 1 泡辫 ? 氖群们 f 孑芝秣椭 - 钾 9 一。琴l 探花渣 o i 1 cl 1 a 伽 b 图1 - 3 t i 晒1 甜等【划得到的流动形式分布图 ( o ) 泡状流( v ) 弹状流( 口) 扰动流( ) 弹状一环形流( 环形流( ) 转化线 f i g 1 - 3 f l o wp a t t e r nm a p i nam i n i c h a n n e lo b t a i n e db yt r i p l e t te ta l 3 4 1 ( o ) b u b b l y ；( v ) s l u g ；( 口) c h u r n ；( ) s l u g - a n n u l a r , ( ) a n n u l a r ；- - l r a n s i f i o nl i n e s ) 一般来说，采用表观液竭l 和表观气逝g 来构造的流型图它只适用于某一特 定的或某一范围的工质和管径。w e i s m a n 等【4 5 】采用j l 1 作为y 轴，j g 2 作为x 轴，对于标准工况4 ) 1 = i ，眈= 1 ，对于非标准工况需采用1 ，眈进行修正。在 最近的报道中，s e v e r i nw a e l c h l # 6 1 等在水力学直径为1 8 7 5 朋和2 1 8 p m 的微管 道中进行了两相流的实验，采用了4 组不同物性液相( 水，乙醇，1 0 的甘油， 2 0 的甘油) 流体，考察了管道尺寸、管道粗糙度、密度、粘度、表面张力、各 相的表观流速对流型的影响，在以表观液竭l 和表观气速i g 构造的各种工况流型 图的基础上，最后以1 0 7 r e l o 2 w 屯o 4 ( k s d ) 5 为y 轴，以r e o o 2 w e o o - 4 作为x 轴构造一 卓0 2 r “ 张普遍化的流型图，如图l - 4 所示。而实际上y 】【- 1 0 7 ，gl v 。l 乩j ，他们 只考虑管道尺寸、管道粗糙度、粘度、各相的表观流速这几项。目前基本上还没 有人能够使用一张流型图来广泛的关联系统的几何参数、流体的物性参数和流动 参数，给出一张普遍适用的流型图。 第一章文献综述 苫 誓 芋 苫 龟 e 图1 - 4s e v e mw l c h l i f 4 6 1 等在直径为1 8 7 5 脚和2 1 8 朋的微管道中得出的两相流普遍化 流型图( f ) 方形微管道中普遍化的流型图( a ：水，i ) h = 1 8 7 5 膨；b ：乙醇，1 8 7 5 _ o n ；c ： 甘油，1 8 7 5 n n ；d ：a ，2 1 0 n n ：e ：7 , 醇，2 l o 彬) f i g u r e l - 4f l o wp a t t e r nm a p so ft w o - p h a s ef l o wi nt h em i c r o c h a n n e lw i t ht h ed i a m e t e ro f 1 8 7 5 朋a n d2 1 8 。z n u s i n gt h eu n i v e r s a lb o u n d a r i e sr e p o r t e db ys e v e r i nw a e l c h l i 【4 6 ( f ) ：t h er e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e lw i t ht h es a m ef l o w a n d g e o m e t r y c o n d i t i o n s ( a ：w a t e r , d h = 18 7 5 朋；b ：e t h a n o l ，18 7 5 啷n ；c ：g l y c e r o l ，18 7 5 朋；d ：w a 峨210 朋：e ：e t h a n o l ，2 l o 朋) 9 第一章文献综述 1 2 2 2 压降的研究 目前，研究者们针对微管道中气液两相流压降的研究，主要是采用修正大管 道中得出的经验式，如均相流模型和离析流模型，他们并不需要确定流型特征。 但实际中压降与流型息息相关，需要根据流型来给出准确的压降预测模型m 。 均相流模型【4 8 4 9 1 中假定混合物中气速和液速是相等的，并且认为混合物是均 匀的单相流体，混合物平均的流体性质取决于气含率。均相流模型运用混合物的 平均物性通过单相流的压降关联式预测两相流的压降。 ( 参= 厂酉1i ( 7 2 ( 1 - 5 ) ， 6 0 3 r = 一 其中，i t 是摩擦因子 ，。 r e t ，g 是两相流的质量流量，见是管道的直 径。通过平均空隙率估算两相流的平均密度( 纠) 。 妒睁譬 |6 ， 对于均相流，m c a d a m s 4 s 1 提出用平均动态粘度计算得到的雷诺数来估算摩 擦因子，定义如下 r e 。：g d h ( 1 7 ) “ 2 其中g 是气液两相总的质量流量，单位k g m 2 s 。斗即表示气液两相均相混合 粘度，一般常用的一下有几个： 表1 - 3 各粘度模型关联式 i ! 垒垒! 皇! ：三g ! ! ! ：堕! 堂皇垦曼g 坠型i ! 磐! q ! ! i ! 曼旦! i 盟里! q 卫盟 一 o w e n s 【5 0 】 m c a d a m s 4 8 1 c i c c h i t t ie ta l t s z d u k l e re ta 1 【5 2 】 b e a t t i ea n dw h a l l e y 【5 3 】 l i ne ta 1 【蚓 p 律2p l 卢 ；f 二+ 业1 i 坳= x t o + ( 1 一砒 弦= 届“g + ( 1 一夕址 p r y = p l ( 1 - f l x i + 2 5 氏七喙b 一2 万再p 可6 f l 而lp g + x u l 一弘g ) 可见，均相流模型适合于气相和液相流动速度相等的情况，即管道各部分流 体的物性相同。 y u a i l 等【5 5 】在3 3 31 1m 和5 2 8l am 的矩形微管道中，用n 2 和h 2 0 作为流动介质进 第一章文献综述 行了两相流的实验，发现用均相流模型预测微管道中气液两相流的压降时，采用 m c a d a m s 4 8 】得出的黏度公式，在一定的混合雷诺数r e l p 内( r = 3 3 3pm ，2 0 1 r e a l , 1 3 9 4 ；r = 5 2 8l am ，1 5 3 。 r e r p 1 6 0 1 ) 可很好的预测压降，误差在2 0 以 下，这与1 m ，l e t t 等【3 4 】报道的采用m c a d a m s 【4 8 】混合黏度公式可很好的预测微管道 中空气水两相流泡状流和弹状流范围的压降相一致。但之前m k a w a j i 等 3 3 , 3 5 报 道了以d l l l 【l 一5 2 】混合黏度公式可很好地预测微管道中氮气水两相流的压降( 偏 差在2 0 以内) 。在近期的报道中，j o h nr t h o m e 等【5 6 】在0 5 0 9 m m 和0 7 9 0 m m 的矩形微管道中，用r - 1 3 4 a 、r 2 4 5 a 作为流动介质进行了两相流的研究，采用了 均相流模型和m e a d a m s t 4 s 】得出的黏度公式，并类似单相流中处理层流和湍流的 方法，分雷诺数对微管道中的压降进行拟和，他将雷诺数范围分为r e t r y ；一8 0 0 0 时， 其摩擦因子修正为： 诤= 0 0 8 r e 嚣 一 厶：6 r e 当d = o 5 0 9 m m 当1 3 = 0 7 9 0 m m ( 1 - 8 ) ( 1 9 ) l o c k h a r ta n dm a r t i n e l l i 5 7 1 通过典型的实验发展了分相流模型理论。他们分析 空气、苯、煤油、水和各种油的混合物在直径从1 4 8 到2 5 8 3 m m 的管道中的 流动情况。他们的两相流压降分析基于两个假设，( 1 ) 气相和液相的静压力降可 以忽略，( 2 ) 在任何情况下，气液相的总体积与管道体积相等。在上述两个假定 和实验分析的基础上，l o c k h a r ta n dm a r t i n e l l i t 5 7 】提出了一个用于关联他们实验结 果的新参数x n ，x n 也称l o c k h a r t - m a r t i n e l l i 参数，是在假定气相，液相在各自表 观速度下呈湍流状态，液相压降和气相压降比值的平方根。液体表观速度定义为 巧= ( 1 - x ) g 厶；气相表观速度定义为2 x 。m a n i n e u ia n dn e l s o n 【5 8 3 和 l o e k h a r ta n dm a 定义了关键乘数，即在特定管道中两相流的摩擦压力梯度 【卅应儿，与在同样管道中假定只有单相的单相流的摩擦压力梯度的比值。 l o e k h a r ta n dm a r t i n e u i 建议所有的两相流都应与参数x 廿相关联。如是目前最流 行的两相流乘数，并且很多研究人员把他们压力降的实验值通过w 如定义为的x t t 的和其它参数的函数。 z h a o 和b i t ”】在d h = o 8 7 - 2 8 9 m m 矩形管道的空气水的垂直两相流中，利用离 析流模型得到了很好的拟和值。k a w a j i f 删提出随着通道d b 的减小，c 值也随之减 小。m i s h i m a 和h i b i b t 6 l 】提出了d h = 1 - 4 m i n d , 直径通道内c 值的经验关联式： c = 2 1 ( 1 一e 加3 1 9 ) ( i - i o ) 第一章文献综述 在几百微管道中，y 啪等【5 5 1 ，m i a 1 i 等【6 2 1 和w 妇1 b s g 肌s s 等【6 3 】，通过实验得出 c = a x 6 p - e ：o ，其中a _ - 0 4 1 1 8 2 2 ，b = - 0 0 3 0 5 。c = 0 6 0 0 4 2 8 。 n i f l o 等1 6 4 根据实验数据分析，推断压降取决于流型，随着质量流量和气体质 量含量的增加，两相流压降出现了由均相流特征向环状流特征的改变。具有均相 流特征流体的压降对流体的质量流量和气含量的变化变的相对不敏感。当流型转 变到环状流特征时，压降与质量流量和气含量关系紧密。 v i c t o rgn i f i , o 等6 4 捌3 从回顾大管道和小管道中两相流压降损失的关联式开 始，把压力降的实验结果与文献中得到的一些关联式进行比较，提出了些新的 取决于流型的、预测压力降的关联式。对于充分发展的环状流，他们采用了离析 流模型： ：。卸三隹l 将环状流的压降与总质量流率下的气相压降关联起来。 在间歇流区域，实验证明了两相流压降和混合物平均动能之间呈线性关系。 观伽击： 其中 2 筹驴岳+ 掣) j m 对于以上各种多相流压降计算的模型主要是针对质量流率和压降都较高的 情况，对于质量流率和压降都较低时，由于影响因素过多和测量精度的原因，成 为流体力学中研究的难点之一，它主要是集中在弹状流区域，又称为b r e t h e r t o n 难题【6 7 】和1 匆l o r 流【6 8 1 。t a y l o r 流主要是指液弹是封闭在气弹中间而不会重新汇合， 液弹的长度是在管道入1 2 处就形成的并且在整个管道中都保持相同的长度， t a y l o r 流的特征是具有一连串的气泡。 h o r v a t hc ta l 6 9 】证明，r a y l o r 流的压降主要取决于弹状长度。弹状长度【6 9 7 1 1 是预 测传质效率的一个重要的因素，物理方程表明单位长度上的气泡越多( 或弹状长 度越短) ，压降越大。同时由于弹状长度对压降的影响很明显，所以也可以利用 压降的测量来预测弹状长度。在t a y l o r 流中，单位长