（化学工程专业论文）微通道内气液两相流及传质研究.pdf

中文摘要 随着微化工技术的发展，微通道内气液两相流的流动行为已成为化工 领域的研究前沿和热点。本文对微通道内气液两相流的流型、空隙率、压 力降和传质过程进行了研究。 采用激光影像放大技术，观测了竖直放置的t 形4 0g m x 2 5 0g m 和1 0 0 g m x s 0 0g m 的两种矩形截面微通道内气液两相流的流型。实验发现了文献 中从未报道过的稳定分层流型，而且微通道内的流型转换图与文献中的流 型转换图差别很大。 利用图像处理软件分析y 形10 0g m x 4 0 0g m 和t 形1 0 0l a m x 8 0 0g m 两种矩形截面微通道中部的流型图照片得到空隙率仅，发现本实验中微通 道内的空隙率仅与气体体积流率不再成线性关系，与常规尺度通道中的 情况相差很大。 通过测量y 形1 0 0g m x 4 0 0g m 和t 形10 0g m x 8 0 0g m 两种矩形截面 微通道进出口的压力来计算微通道内的压力降梯度z i p 。发现对于矩形微 通道来讲，通道的深宽比对其压力降梯度影响较大，而放置方式对其压力 降梯度的影响不太明显。在实验数据的基础上，对已有两相摩擦系数函l 2 的计算公式进行改进，提出了新的预测公式。 利用气体的p 阿关系求出y 形1 0 0g m x 4 0 0t a m 和t 形1 0 0g m x 8 0 0l a m 两种矩形截面微通道内c 0 2 水的液侧体积传质系数k l a ，发现其比常规尺 度气液接触设备至少提高了3 个数量级，说明微通道中的气液两相质量 传递效果相比于宏观系统得到了明显强化。此外，还发现k l a 同时受气液 表观速率和气液两相流型的影响。在相同的气液两相流型下，k l a 随气液 表观速率的增大而增大，而对于不同的气液两相流型，液环流时k l a 最大。 关键词：微通道；流型；分层流；空隙率；压力降；质量传递 a b s t r a ct t w o - p h a s ef l o wi nm i e r o c h a n n e lh a sb e c o m ean e wf o c u si nc h e m i c a l e n g i n e e r i n gf i e l dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o c h e m i c a lt e c h n o l o g y t h e a i mo ft h i sw o r ki st os t u d yt h ef l o wp a t t e r n ，v o i df r i c t i o n ，p r e s s u r ed r o pa n d m a s st r a n s f e ro ft w o p h a s ef l o wi nm i c r o c h a n n e lc h i p t h ef l o wp a t t e r no ft w o p h a s ef l o ww i t h i nt h ets h a p e4 0 i t mx 2 5 0 1 x m a n dt h e10 0 p m 8 0 0 ”mr e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e lw e r eo b s e r v e du s i n gt h e l a s e ri m a g ea m p l i f y i n gt e c h n i q u e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o w r e g i m em a pb yt h i se x p e r i m e n tv a r i e sg r e a t l yw i t ht h a tb yo t h e ra u t h o r g ，a n d t h ee x i s t e n c eo fs t a b l es t r a t i f i e df l o wh a sn e v e rb e e nr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e v o i df r i c t i o naw a sg o tf r o mt h ea n a l y s i so ft h ef l o wp a t t e r n i m a g ei n t h em i d d l eo ft h et s h a p e1 0 0 1 a m x 4 0 0 1 a ma n dt h e1 0 0 i _ t m x 8 0 0 l x mr e c t a n g u l a r m i c r o c h a n n e lb yp h o t op r o c e s s i n gs o f t w a r e t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw a s f i t t e d ，i tw a sf o u n dt h a tt h ev o i df r a c t i o n 伉i nm i c r o c h a n n e ln ol o n g e r p r e s e n t e dal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hg a sv o l u m ef l o wr a t e8 ，w h i c hw a sv e r y d i f 话r e n tf r o mt h es i t u a t i o ni nt h ec o n v e n t i o n a lc h a n n e l s t h ep r e s s u r ed r o pz i po fm i c r o c h a n n e lw a so b t a i n e db ym e a s u r i n gt h e i m p o r t a n d e x p o r t p r e s s u r e o ft h ets h a p e10 0 1 a mx 4 0 0 “ma n dt h e 1 0 0 1 x m x 8 0 0 1 a mr e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e l i ti ss h o w nt h a tf o rt h er e c t a n g u l a r m i c r o c h a n n e l ，t h em i c r o c h a n n e l sa s p e c tr a t i oh a sm u c hm o r ee f f e c to ni t s p r e s s u r ed r o pg r a d i e n t ，w h i l et h ep l a c i n gm a n n e ro ft h em i c r o c h a n n e lh a sl e s s e f f e c t o nt h eb a s i so ft h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ，am o d i f i e dm o d e lf o r t w o - p h a s ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tw a sp r o p o s e d f i n a l l y ，t h el i q u i d s i d ev o l u m e t r i cm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tk l ao f c 0 2 - w a t e ri nt h ets h a p e1 0 0 “m 4 0 0 p ma n dt h e1 0 0 p m 8 0 0 p mr e c t a n g u l a r m i c r o c h a n n e lw a sc a l c u l a t e du s i n gt h e 户玎r e l a t i o n s h i po fg a s r e s u l t ss h o w t h a th 口g e th i g h e ra tl e a s tt h r e eo r d e r so fm a g n i t u d ec o m p a r e dt ot h a ti nt h e c o n v e n t i o n a lg a s l i q u i dc o n t a c te q u i p m e n t ，i tm e a n st h a tg a s - l i q u i dt w o p h a s e m a s st r a n s f e rh a sb e e ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c e di nm i c r o c h a n n e lc o m p a r e dt o t h em a c r o s y s t e m i na d d i t i o n ，b o t ht h ef l o wp a t t e r n sa n dt h es u p e r f i c i a lf l o w r a t eo fg a sa n dl i q u i dh a v eo b v i o u se f f e c t so nk l a i ti ss h o w nt h a tk l a i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es u p e r f i c i a lf l o wr a t eo fg a so rl i q u i da tt h e s a m ef l o wp a t t e r n ，a n dk l ar e a c h e dm a x i m u ma tt h el i q u i dr i n gf l o wa m o n g d i f f e r e n tf l o wp a t t e r n s k e y w o r d ：m i c r o c h a n n e l ；f l o wp a t t e r n ；s t r a t i f i e df l o w ；v o i df r i c t i o n ；p r e s s u r e d r o p ；m a s st r a n s f e r 符号说明 符号说明 l i ：气液两相进口段长度，c m 三c ：气液两相混合段长度，c m 形：微通道宽度，p m 日：通道深度，g m 么：当量直径，p , m 儿：气体表观速率，m s 。 九：液体表观速率，m s 1 口：空隙率，m 2 m 3 口：气体体积流率 p 1 ：微通道进口压力，k p a 尸2 ：微通道出口压力，k p a p 】：空白实验中微通道进口压力，k p a p 2 ：空白实验中微通道出口压力，k p a a p ：微通道内的压力降，k p a p ：微通道内的压力降梯度，k p a m o a p t p ：微通道内的总压力降，k p a a p f ：摩擦压力降，k p a a p a ：加速压力降，k p a a p c ：进口到微通道内部管径骤缩引起的压力降，k p a ) ，：微通道的截面积连接部分的截面积 x ：气体质量流量分率 g ：总质量流量，k g m s 1 p g ：气相密度，k g m 。 p l ：液相密度，k g m 。 阳p f z ) t p ：管道总摩擦压力降梯度，k p a m j 园尸f l ) l ：液相单独流过微通道时的摩擦压力降梯度，k p a m 。1 7 1 符号说明 ( a p f l ) g ：气相单独流过微通道时的摩擦压力降梯度，k p a m j f t p ：两相总摩擦系数 p t p ：两相总密度，k g m 3 西l 2 ：两相摩擦系数 皿m a r t i n e l l i 系数 c ：l o c k h a r t m a r t i n e l | i 参数 死：矩形微通道的宽深比 么、丑：与矩形微通道的宽深比瓦有关的参数 p 3 ：封闭系统实验前微通道出口处压力，k p a p 4 ：封闭系统实验后微通道出口处压力，k p a t ：封闭系统实验温度， p 3 ：封闭系统空白实验前微通道出口处压力，k p a r ：封闭系统空白实验后微通道出口处压力，k p a r ：封闭系统空白实验温度， p 大气：大气压，k p a k l ：为液侧传质系数，m s 。 a ：相界面积，m 2 m 3 k l a ：液侧体积传质系数，s 。 g ：水中平衡c 0 2 浓度，t o o l l o c o ：微通道混合段入口处水中c 0 2 浓度，t o o l l c 1 ：微通道混合段出口处水中c 0 2 浓度，t o o l l o c 2 ：实验时微通道出口处水中c 0 2 浓度，m o l l 1 砭：空白实验时微通道出口处水中c 0 2 浓度，m o l l 。 v c o , ：c 0 2 进入封闭系统的总量，m 3 比o ，：空白实验时c 0 2 进入封闭系统的总量，r i l 3 ：水进入封闭系统的总量，m 3 喙：空白实验时水进入封闭系统的总量，n 1 3 v ：封闭系统的体积，m 3 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，也不包含为获得叁鲞盘堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王隶倦 签字同期： 0 7 年口6 月d 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞生盘堂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：王太俅 导师签名： 签字日期：o l j r 年口臼丝日 易及知 签字目期：唧年幺月阳 前言 月i j 吾 近些年来，随着微尺度装置在制药产业、高热通量接触热交换器和高 集成微电子设备、超级计算机、高能激光等设备的冷却系统方面的发展应 用，迫切需要加强微通道内气液两相流动及传热方面的研究【l 】。 微化工技术作为化工过程强化的一种新技术，将在化学、化工、能源、 环境等领域得到广泛应用 2 1 。微化工技术包括微热、微反应、微分离、微 分析等系统，微通道是这些系统的主要组成部分。微通道内的流体特性与常 规尺度通道内的流体特性有很大区别，体现在比表面积大、体积小和流动 行为独特等方面，这主要是因为在微通道内流体问的表面张力、润湿性等 占主导地位【3 】。 和常规通道一样，微通道内气液两相流的流型、压力降和空隙率会影 响两相的压力降、堵塞情况、系统稳定性、动量交换率及相变热传递过程 中的质量与热量情况。目前关于微通道内气液两相流的研究依然很少，现 有文献在微通道混合室几何构型、流体特性、通道方向和相关的流型方面 的数据仍显匮乏。关于微通道内的相交换热传递及两相流现象的研究还处 于初期阶段，为实现工程应用中的最优化设计和过程控制，仍需进行大量 的系统性研究【4 1 。 此外，开展微通道内气液两相传递和反应过程研究，可为实际应用 提供理论指导和技术支撑。 第一章文献综述 第一章文献综述 流型、空隙率和压力降是研究微通道内气液两相流动行为的基础。而 质量传递则是化工生产中最受关心的问题之一，研究微通道内气液两相的 质量传递行为有助于更好的为微化工生产服务。 1 1 微通道内气液两相流的流型 目前，由于对微通道内气液两相流流型的研究尚处于起步阶段，对于 微通道内气液两相流的流型的分类、名称、特征等还没有完全统一的认识。 文献中作者多根据自己的实验现象和数据对气液两相流的流型进行分类、 命名和描述。其中在微通道中比较常见而认识又比较一致的气液两相流流 型主要有气泡流、弹状流、扰动流和液环流。 为了更直观的描述微通道内气液两相流各种流型之间的转换，人们通 常将不同气液表观速率下徼通道内气液两相流的流型绘制成流型转换图。 通过流型转换图，可以方便的了解不同气液表观速率下微通道内气液两相 流的流型。 t s z h a o 5 】等实验考察了当量直径分别为2 8 8 6 ，1 4 4 3 和0 8 6 6m m 的 竖直放置的截面为三角形的微通道内向上流动的空气水两相流的流型。 发现在常规通道中出现的分散泡状流、弹状流、扰动流及液环流在当量直 径为2 8 8 6 和1 4 4 3m m 的通道中均存在，但在尺寸较小的o 8 6 6m m 的通道 中只发现弹状流、扰动流及液环流，而未观察到分散气泡流。在当量直径 为0 8 6 6m m 的通道中，当空气流速较低时存在一种几乎占据整个通道截面 的椭圆形的单列气泡，并且在弹状流型中，弹状气泡被拉长了。 k p e h l i v a n 6 】等研究了水平放置的直径分别为0 8 、l 和3m m 的圆形 微通道中的空气水气液两相流的流型。作者将流型分为气泡流、间歇流、 扰动流和液环流，并将所作的流型转换图分割成表面张力控制流型区和惯 性力控制流型区两个部分。 p g u i l l o t 7 1 等考察了微通道内流体经过t 型接1 ：3 后的流动稳定性。 2 第一章文献综进 dsl i u 嘲等以空气水为介质，分别研究了直径为l4 7 、23 7 和30 4 m n 3 竖直放置的圆形微通道内向上流动的气液两相褫的行为，观察到六种 不同的流型：气泡流、弹状- 气泡流、泰勒流、气泡队列弹状流、扰动流 和液环流。此外作者发现三种尺寸通道的流型图差别不大，即在作者所考 察的范围内，通道尺寸对气液流型图的影响不明显。图1 i 是其实验中观 察到的比较典型的气液两相流流型。 扎ml|l ( a 、r h 、 r r ，)伯1( c ) ( a ) 气泡流，( b ) 泰勒流，( c ) 气泡队列弹状流，( d ) 扰动流，( e ) 液环流 圈】一】14 7 m 通道内低液体表面速率下的典型的气液两相流流型圈 f i gl 一1r e p r e s e n t a t i v ef l o wp a t t e r n si nt h e 14 7m mc a p i l l a r ya tal o ws u p e r f i c i a ll i q u i d v e l o c i t y ss a i s o r n l l 】等采用内径05 3 m m ，长3 2 0 m m 的微通道观察其中空气一 水体系在气、液表观速率分别为o3 7 一1 6 和00 0 5 30 4ms “时的流型，发现 有弹状流、喉状液环流、扰动流和液环一溪状流4 种流型，图1 2 是作者观察 到的气液两相流的流型示意图。 第一章文献综述 口阳一 圈啪喇一 o 洲酣 一盯胁 图1 2s i r as a i s o r n 观察到的气液两相流的流型示意图 f i g 1 - 2s k e t c h e so ft h eo b s e r v e df l o wp a t t e r n s j l x u l 9 】等考察了长2 6 0m m ，宽1 2m m ，深分别为o 3 、0 6 和lm m 的 竖直放置矩形微通道内空气水气液两相流的流型。在深1m m 和0 6m m 的 微通道内观察到泡状流、弹状流、扰动流和液环流，而在深0 3m m 的微通 道内有帽状气泡流、弹状液滴流、扰动流和液环液滴流，且即使在较低 的气液表面速率下也未观察到气泡流。图1 3 为深0 3m m 微通道内的流型 示意图。 c a p b u b b l e 点 。；蓦 口。 套 曛 ahc a 帽状气泡流b 弹状液滴流c 扰动流d 液环液滴流 图1 3 深0 3m m 微通道内的流型图 f i g 1 3f l o wr e g i m e si nt h ec h a n n e lw i t ht h eg a po fo 3m m 4 第一章文献综述 pz h a n g 等人研究了内径05 3 im m 和】0 4 2r a r a 圆形微通道内竖直 向t 流动的氮气- 液氮气液两相流动的流型。除观察到气泡流、弹状流、 b u 岫h f h wc o a f i d s i a ln 叶 c h 啪n o wa n 山f l o * m d 舫” b u d g i e f h 图1 405 3 l m m 微通道内谴氯一氮气气液两相流的典型流型 f i g l 一4t y p i c a tp a t t e m so f t h e t w o p h a s e f l o wo f l i q u i dn i t r o g e n t no5 3 i m m m i c r o - t u b e 甚圈 b u b b l y 胁c 叩6 n 刮 sj u b 0 wc h m 日o a a a u l a t r f l o w h 妯k f l 哺 图1 5i9 4 2 m m 微通道内液氟一氮气气液两相流的典型流型 f i gi - 5t y p i c a lp a t t e r n so f t h e t w o p h a s e f l o wo f l i q u i dn i t r o g e n i n1 0 4 2 m m m l g r o - t u b e 5 lj1j_l【bflllii髓隧翻科日m阱磷 第一章文献综述 扰动流和液环流外，还发现有限制气泡流、雾状流、气泡浓缩摆动流。图 1 4 和图1 5 分别为0 5 3 1m m 和1 0 4 2m i l l 微通道内液氮氮气气液两相流的 典型流型。 h i d e i 】等考察了内径1 、2 4 、4 9m i l l 的圆形通道和深宽比从1 到9 的矩 形通道内流体流动方向分别为竖直向上、水平和竖直向下时空气水体系 的绝热两相流，同时用9 和2 6m m 的圆型通道的数据做对比一。实验中气液表 面速率分别为0 1 3 0m s 。和0 0 3 2 3m s j 结果发现当通道当量直径小于5 m m 时，粘性力开始变得重要，同时流型与流体流动方向关系不大。作者 在圆形通道中未发现有分层流，并且即使在水平放置通道中流体流动的流 型也是轴对称的。 k a t r i p l e t t 1 2 】等实验研究了1 1 和1 4 5m m 内径圆形微通道与当量直 径1 0 9 和1 4 9m m 的半三角形( 有一角光滑的三角形) 微通道内的空气水 体系的流型。实验中气液表观速率分别为0 0 2 8 0m s 一和0 0 2 8m s 。作者 将观察到的流型分为气泡流、扰动流、弹状流、弹状液环流和液环流五 种，并将其流型图与其它流型转换模型和关联式类比，发现结果差别很大。 w l c h e n t l 3 】等实验研究了直径1 0 和1 5m m 圆形玻璃微通道内的氮 气水体系的流动行为，实验中气液表观速率分别为0 5 0 2 1 1 0m s o 和 0 3 9 9 3 5 3m s 。发现在竖直和水平两种流动方向下都出现了气泡流、弹 状流、气泡队列弹状流、扰动流和液环流五种流型。 r p o h o r e c k i l l 4 在宽0 2m m 、高0 5 5m m 、长5 5m m 的矩形微通道内以 水和乙醇( 不同的接触角和表面张力) 为液体工作介质，以氮气为载气， 研究其流型，观察到气泡流、弹状流、弹状液环流、液环流四种流型， 作者发现不同的接触角和表面张力对体系的流型转换图影响不大。 h l i u 1 5 等以空气为气相，以水、乙醇和混合油为液相，研究了竖直 放置的当量直径为0 9m m 3m m 的圆形和方形微通道内的流型和压力降。 气液表观速率在0 0 0 8 1m s 。之间。发现有气泡流、弹状流、泰勒流和扰 动流，同时作者指出在较高的气体表观速率和较低的液体表观速率下还存 在液环流。实验结果显示通道几何形状、当量直径和液体性质对气泡上升 速度影响不大。 a k a w a h a r a t l 6 】等以去离子水为液相，氮气为气相，考察了水平放置 6 第一章文献综述 直径1 0 0b m 微通道内气液两相流的流型，气液表观速率分别为0 1 6 0m s 以 和o 0 2 4m s 。作者观察到圆环弹状流、弹状圆环流、多重流和半液环 流两种流型，而未发现有气泡流和扰动流，并且指出在低气体流速下，气 泡周围伴随着一层光滑的薄液膜，而在高气体流速下，气泡周围伴随着一 层环形的液膜，液体速度较高时，气核周围有一层厚的液膜，而在弯曲气 核周围则出现变形的液膜。 s s a i s o r n 1 7 】等通过对长1 0 4m m ，内径0 1 5m m 的水平放置的圆形微通 道内空气水气液两相流的研究，将观察到的流型分为液体不稳定的液环 交替流、液体液环交替流和液环流三种。 s s a i s o r n l l 8 】等研究了内径分别为0 5 3 、o 2 2 、0 1 5m m ，长度分别为3 2 0 、 1 2 0 、1 0 4m m 的水平放置圆形微通道内空气水气液两相流的流型。气液表 观速率分别为0 3 7 4 2 3 6m s o 和0 0 0 5 3 0 4m s 一。发现有弹状流、喉状液 环流、扰动流、液环溪状流、液环流、单独液相流和蜿蜒状气核流7 种流 型。 a s e r i z a w a t l 9 等考察了内径2 0 、2 5 和1 0 0g m 水平放置微通道内空气 水气液两相流的流型，气液表观速率分别为o 0 0 1 2 - 2 9 5 3m s 。1 和0 0 0 3 1 7 5 2m s 。作者将其观察到的流型分为分散气泡流、气弹流、液体环形 流、液体块状流、液环流、多泡流、溪状流。 宋静【2 0 】考察3 4 0 0l a m 光滑通道内氮气乙醇、氮气c m c 水溶液( 共5 组， 不同表面张力) 的两相流动特性，观察到泡状流、弹状流、扰动流和液环 流4 种流型。 一 1 2 微通道内气液两相流的空隙率 目前，微通道内气液两相流的空隙率主要由两相流型的图像分析得 到。也有一些作者对自己的空隙率实验数据进行关联，得到一些经验方程， 但这些经验方程的适用范围通常较小。 s s a i s o r n t 4 】等给出空隙率a 的计算式： a t o t l e = i p g l i p + n t g i n t + r a p 口v a p + p r n n 口a n n ( 卜1 ) 7 第一章文献综述 其中口l i p 为液相单独通过时的空隙率，c l l i p = 0 ；a ，。p 为气相单独通过时 的空隙率a v a p = 1 ；间歇流的空隙率a i 。t 和液环流的空隙率a 。n n 分别定义为： ，( o 8 3 3 + 0 1 6 7 x ) x ( 1 p g ) 口i n t = 畜鬲而丽磊而百 n = 【1 + 0 + 荆印n 9 】卸0 6 ( 1 2 ) ( 1 3 ) t s z h a o 2 1 1 等实验考察了当量直径分别为2 8 8 6 ，1 4 4 3 和0 8 6 6m m 的竖直放置的三角形微通道内的向上流动的空气水气液两相流，气液表 面速率分别为尢= 0 1 1 0 0m s 。1 和丑= 0 0 8 6m s 一。作者对实验数据进行拟 合，得到一个空隙率的关联式： 口= 0 。8 3 8 f l ( 1 4 ) 其中0 【为空隙率，s j ；p = j c ( ，g + j l ) ，量纲为l ；无和九分别为气液表 面速率。与适于常规通道的a r m a n d 关联式口= o 8 3 s f l 非常类似。 s s a i s o r n 1 8 】等研究了内径分别为0 5 3 、0 2 2 、0 1 5m m ，长度分别为 3 2 0 、1 2 0 、1 0 4m m 的水平放置圆形微通道内空气水气液两相流的空隙率， 气液表观速率分别为o 3 7 4 2 3 6m s 。和0 0 0 5 3 0 4m s 。作者对所得空隙率 数据进行关联后发现： 内径0 5 3 m m 微通道的空隙率数据符合h o m o g e n e o u s 流动模型： 口= 矽 内径0 2 2 m m 微通道的空隙率数据符合a r m a n d 关联式： t = 0 8 3 3 f l 8 ( 卜5 ) ( 1 6 ) 第一章文献综述 内径0 1 5 m m 微通道的空隙率数据符合k w a k 关联式： c 1 f o 5 口= 荔 1 一c 2 f o 5 ( 1 7 ) p m y c h u n g 2 2 】等对内径分别为5 3 0 、2 5 0 、1 0 0 和5 0u m 的圆形微通 道内的氮气水气液两相流进行研究后发现，内径5 3 0 岫的微通道内的空 隙率数据符合h o m o g e n e o u s 流动模型，内径2 5 0 “m 的微通道内的空隙率数 据符合a r m a n d 关联式，而内径10 0 和5 0 m 的微通道内的空隙率数据符合 k w a k 关联式，且k w a k 关联式中的参数c l 、c 2 满足c l = 0 0 3 、c 2 = 0 9 7 ( 1 0 0 m 微通道) 和c l = 0 0 2 、c 2 = 0 9 8 ( 5 0 肛m 微通道) 。 k a t r i p l e t t 2 3 】等实验研究了1 1 和1 4 5m m 内径圆形微通道与当量直 径1 0 9 和1 4 9m m 的半三角形( 有一角光滑的三角形) 微通道内的空气 水体系的空隙率，实验中气液表观速率分别为o 0 2 8 0m s 。和0 0 2 8m s 。 作者将其空隙率实验数据用几种关联式关联后对比发现，h o m o g e n e o u s 模 型较好的预测了气泡流和弹状流的空隙率，但包括h o m o g e n e o u s 模型在内 的所有模型均过高的预测了液环流情况下的空隙率。 w l c h e n 1 3 j 等实验研究了直径1 0 和1 5m i l l 圆形玻璃微通道内的氮气 水体系的流动行为，实验中气液表观速率分别为0 5 0 2 1 1 0m s 1 和o 3 9 9 3 5 3m s 。作者提出了一种修正的漂移通量模型来拟合空隙率，即 口= ，g 0 9 3 矽1 1 1 ( 1 8 ) 其中a 为空隙率，如为气体速率，为气液混合流速。作者用h o m o g e n e o u s 模型拟合的空隙率数据其误差高达4 0 ，而采用修正的漂移通量模型拟合 的空隙率数据与实验数据的误差在2 0 以内。 a k a w a h a r a i l6 】等以去离子水为液相，氮气为气相，考察了水平放置 直径1 0 0 “m 微通道内流体流动的空隙率，气液表观速率分别为0 1 6 0m s o 和0 0 2 4m s 一。作者给出了一个计算空隙率n 的公式： 9 第一章文献综述 警= a p 印q r 口、z 、p i 、“f ： ( 1 9 ) 其中a = 0 2 8 ，p = o 6 4 ，q = o 3 6 ，r = o 0 7 ( l o c k h a r ta n dm a r t i n e l l i ) ，a = i ， p = 0 7 4 ，q = 0 6 5 ，r = 0 1 3 ( b a r o c z y ) 。同时作者发现即使在高气体流速下， 时间平均空隙率仍然较低，这意味着两相间较低的滑移率和较弱的动量传 递。 s s a i s o r n 1 7 】等通过对长1 0 4m m ，内径0 1 5m m 的水平放置的圆形微通 道内空气水气液两相流的研究，将由流型图分析得出的空隙率进行拟合， 得出关联式： 0 0 3 6 口o 5 口= i 面每l o 9 4 5 f u 5 ( 1 1 0 ) a s e r i z a w a t l 9 】等考察了内径2 0 、2 5 和1 0 0l a m 水平放置微通道内空气 水气液两相流的流型和空隙率，气液表观速率分别为o 0 0 1 2 2 9 5 3m s j 和0 0 0 3 1 7 5 2m s 一。其空隙率数据符合a r m a n d 关联式口= 0 8 3 3 # 。 1 3 微通道内气液两相流的压力降 两相压力降是管道和过程系统设计的基本要素。微通道内的压力降通 常由三部分组成：摩擦压力降，加速度压力降和从进口到微通道内部管径 骤缩引起的压力降。 宋静f 2 0 】考察t 4 0 0 斗m 光滑通道内氮气乙醇、氮气c m c 水溶液( 共5 组， 不同表面张力) 的两相流动特性，发现摩擦是引起微通道内压力降的一个 重要因素，其次是由进口段的管径收缩引起的，而由于加速而引起的压力 降几乎可以忽略。不同流体的摩擦压力降都会随着气液表观速率的增加而 增加，随着粘度的增长，总体压力降也会呈现上升趋势。 s s a i s o r n l l 】等采用内径0 5 3m i l l ，长3 2 0m m 的微通道，研究其中空气 水体系在气、液表观速率分别为0 3 7 16 和0 0 0 5 3 0 4m s j 时的压力降。通 过对微通道内压力降数据的分析，发现气液质量流量和流型对摩擦系数有 重要影响。 1 0 第一章文献综述 s g s i n g h 2 4 】等人在研究矩形微通道深宽比对微通道内压力降的影响 时指出，矩形微通道深宽比为1 5 6 时微通道的压力降最小。 h i d e i l l l 等考察了内径1 、2 4 、4 9m i l l 的圆形管道和深宽比从l 到9 的 矩形通道内流体流动方向分别为竖直向上、水平和竖直向下时空气水体 系的绝热两相流。作者将系统的压力降尸扮为由摩擦引起的压力降z l p f 和 由液流的突然扩张引起的压力降4 p 。，并发现彳尸。在一些流动情况下远大于 d p f 。 l c s u n 2 5 】等通过整理总结大量已经出版的两相流压力降数据，对目 前存在的11 种最常见的计算两相流压力降的关联式进行了对比。这1 1 种关 联式中前5 种适用于常规通道，而后6 种适用于微通道和纳米通道。它们分 别为： l 、l o c k h a r ta n dm a r t i n e l l i 关联式( 1 9 4 9 ) 0 丁p = 中0 l c h i s h o l m ( 1 9 6 7 ) 在液相压力降的基础上给出了两相摩擦系 2 d l 2 的计算式： 2 、h o m o g e n e o u s 模型 巾2 = 1 + 要+ 击 3 、c h i s h o l m 关联式( 1 9 7 2 ) 0 t p = 等 ( 1 - 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) 怒= 1 + 2 1 ) b x 。 s 7 s ( 1 z ) 懈+ z 1 7 5 】 ( 1 - 1 4 ) 4 、f r i e d e l 关联式( 1 9 7 9 ) 第一章文献综述 9 。= e + 器 5 、m u l l e r s t e i n h a g e na n dh e c k 关联式( 1 9 8 6 ) o t p = f o - - x ) 搦+ 0 3 6 、m i s h i m aa n dh i b i k i 关联式( 1 9 9 6 ) c = 2 1 ( 1 一e - 3 1 9 d ) 7 、z h a n ga n dm i s h i m a 关联式( 2 0 0 6 ) c = 2 1 ( 1 一e 气f ) 8 、l e ea n dl e e 关联式( 2 0 0 1 ) c = a a q l f ，r r e 品 9 、l e ea n dm u d a w a r 关联式( 2 0 0 5 ) 液体气体均为层流时： 液体为层流，气体为湍流时： c = 2 1 6 r e 6 0 4 7 w e 0 9 3 c = i 4 5 r e 0 2 5 w e 0 0 2 3 1 0 、t r a ne ta 1 关联式( 2 0 0 0 ) 1 2 ( 1 - 1 5 ) ( 1 1 6 ) ( 1 一1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) ( 1 - 2 1 ) 第一章文献综述 中乙= 1 + ( 4 3 x 2 一i ) l a ( i x ) o 8 7 s + z l 7 s 】 ( 1 - 2 2 ) 11 、z h a n ga n dw e b b 关联式( 2 0 0 1 ) 中己= ( i - x ) 2 + 2 8 7 2 2 ( 去) q + 1 6 8 x o 2 s ( 1 一z ) 2 ( 毒以石4 ( 1 - 2 3 ) 从以上1 1 种关联式可以看出，目前对于微通道内两相流的压力降的预 测模型都是建立在常规通道模型的基础上，真正影响微通道内压力降的因 素不能全部体现。 作者发现l o c k h a r ta n dm a r t i n e l l i 、m i s h i m aa n dh i b i k i 、z h a n ga n d m i s h i m a 和l e ea n dm u d a w a r 关联式在层流区的精度比较接近，而m u l l e r - s t e i n h a g e na n dh e c k 关联式最适合于湍流区两相压力降的计算。同时，在 l o c k h a na n dm a r t i n e l l i 关联式基础上修正得到的c h i s h o l m 关联式在湍流区 的计算结果优于以上l1 种模型，误差仅为2 9 。 k p e h l i v a n t 6 】等研究了水平放置的直径分别为0 8 、1 和3m m 的通道中 的空气水气液两相流的压力降。作者将实验所得的压力降数据与h o m o g e n o u s 模型、f r i e d e l 模型和c h i s h o l m 模型作了比较，发现h o m o g e n o u s 模型 和c h i s h o l m 模型较好的拟合了0 8 和1m m 通道的压力降数据，而c h i s h o l m 模型则对三个通道均高估了其压力降数据。 k a t r i p l e t t 2 3 等实验研究了1 1 和1 4 5m m 内径圆形微通道与当量直 径1 0 9 和1 4 9 m m 的半三角形( 有一角光滑的三角形) 微通道内的空气水 体系的压力降。实验中气液表观速率分别为0 0 2 8 0m s 。和0 0 2 8m s 。作 者将其压力降实验数据用几种关联式关联后对比发现，h o m o g e n e o u s 模型 较好的预测了气泡流和弹状流的压力降，但包括h o m o g e n e o u s 模型在内的 所有模型均过高的预测了液环流情况下的压力降。 h l i u t l 5 】等以空气为气相，以水、乙醇和混合油为液相，研究了竖直 放置的当量直径为0 9m m 3m m 的圆形和方形微通道内的压力降，气液表 观速率在0 0 0 8 1m s 1 之间。作者引入个无量纲的压力系数： 1 3 第一章文献综述 民= 丽4 丽p t l c ( 1 2 4 ) 来预测竖直放置微通道内的总压力降。其中民为两相压力系数，量纲为l ； 4 p 为系统的总压力降，k p a ；l 。为微通道长度，m ；肌为液相密度，k g m 3 ； 魄为两相混合速度，m - s ；反为微通道当量直径，m 。对于h o m o g e n e o u s 流和非h o m o g e n e o u s 流作者分别提出两种两相压力因数f e 的关联式，并指 出气液速率比u g u l = o 5 为这两种流动形式的分界线。 a k a w a h a r a 1 6 】等以去离子水为液相，氮气为气相，考察了水平放置直 径1 0 0 “m 微通道内流体流动的压力降，气液表观速率分别为0 1 6 0m s 1 和 o 0 2 4m s 一。作者对单相和两相摩擦因数的计算表明，单相摩擦因数与传 统层流关联式吻合良好，而两相摩擦因数与l o c k h a r t 和m a r t i n e i l i 的分离模 型关联度较好，而用h o m o g e n e o u s 模型则会高估两相摩擦系数的数值。 c y l e e 2 6 】等研究了空气水气液两相流在内径1 6 2 2 1 6m m 的圆形 玻璃、聚亚胺酯和聚氯乙烯三种材质通道中的压力降。结果