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微通道内的流动沸腾系列二



微尺度两相流型

在常规通道中,根据不同的工况,汽液两相流有不同的流型。微尺度两相流也不例外,微通道中观察到的主要流型如图1所示。

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图1 微通道内四种主要流型示意图:泡状流(左上)、弹状流(右上)、环状流(左下)、雾状流(右下)

微通道中观察到的主要流型及其最广泛使用的名称如下:

  • 泡状流:以连续液相为特征,具有分散的蒸汽(或气体)气泡,其中气泡大小明显小于通道直径;

  • 弹状流(或细长气泡流):蒸汽(或气体)集中在细长气泡中,其直径接近通道的直径,中间穿插着液塞;

  • 环状流:液相在管壁形成一个环形的连续流,连续的气相在管道中心流动,而中心蒸汽(或气体)可夹带悬浮液滴;

  • 雾状流:以连续的蒸汽(或气)相为特征,其中有分散的悬浮液滴。

图2提供了0.509mm直径微管中观察到的流型图像(泡状流所用流体为冷却剂R245fa,饱和温度为308K,弹状流和环状流动为冷却剂R134a,饱和温度为298K)。

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图2 泡状流(顶部)、弹状流(中部)和环状流(底部)的视频图像

从图1和图2可以看出,微通道的基本两相流模式与常规尺度相似。然而,随着通道尺寸的逐渐减小,从一种流型到另一种流型的转变发生了剧烈的变化。因此,相同的流型可以出现在微通道中,但其工况与在常规尺度不同。换句话说,随着管道尺寸逐渐减小,工况保持不变,则流型可能会变化。此外,因为通道尺寸逐渐减小,重力的影响随之变得小;如果通道足够小,重力的影响几乎消失。因此,在微尺度水平通道中看不到分层流。而无论是在何种工况,抑或是通道方向是否在重力方向上,微通道中的流动形态都是轴对称的。

微尺度和常规尺度流型的另一个重要区别是弹状流。在常规通道中,在弹状流中观察到的大气泡是由许多小气泡聚在一起形成的,本质上是来自一个气泡团簇。另一方面,在微通道中,这些大气泡实际上是单个的、小的、细长的气泡。由于通道的约束作用,这些气泡呈轴向生长并进行单个气泡前后结合。因此,尽管弹状流在常规和微尺度上的拓扑结构相似,但它们的起源和物理本质都与其尺度密切相关。

以上四种流型为微通道中观察到的主要流型。其它流型或者是这些主要流型之一的子流型,或者是这些主要流型之间的过渡流型(例如,搅拌流是弹状流和环状流之间的过渡流型)。

在阅读文献时发现,不同的作者对相同的流型使用不同的名称,使得不同的研究之间很难对流型数据进行比较。为了纠正这一问题,Thome等人建议两相流研究人员尽量使用上述四种名称,因为统一的流型和名称对于创建大型的和多样化的数据库非常重要。

下面给出微尺度流型图的选择。

1
Akbar等人提出的流型图

图3给出了Akbar等人提出的微尺度流型图。该图采用液气weber数WelWeg作为坐标,气液表观速度(superficialvelocity)JlJg计算如下:

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图3 Akbar等人提出的微尺度流型图

可以看到,这张图包括三个主要流动模式:

  • 表面张力主导的流型(对应于泡状流和弹状流)

  • 惯性主导的流型(对应于环状流)

  • 雾状流

另外,在表面张力主导和惯性主导之间有着较大的过渡区域。这张图是根据水力直径小于或等于1.0mm的圆形和近圆形通道的空气-水两相流观测得到的,建议在Bd数小于0.3时使用。

2
Ullmann-Brauner流型图

图4给出了Ullmann和Brauner提出的微尺度流型图。

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图4 Ullmann-Brauner微尺度流型图

从图中可以看出,该图用表观速度作为坐标,包括三种主要的流型:泡状流(为方便起见,又细分为分散泡状流和泡状流两种子区域)、弹状流和环状流,以及弹状流与环状流之间的过渡区。这张图是在一直径为1.097mm的水平管道内的空气-水两相流中观测得到的。同时也有研究人员将其它工质中的两相流跟这张图做了比较,结果表明了该图的适用性。

3
Revellin-Thome流型图

以上提及的流型是基于水-空气等两相流在绝热条件下的实验给出的。Revellin和Thome注意到各种流型之间的过渡边界受到外界热流密度的强烈影响,表明绝热条件下给出的流型图对沸腾流动的适用性有限。图5给出了在303K饱和温度下运行的冷却剂R134a在20mm长、三种不同直径的均匀加热(热通量为60kW/m2)通道中流动的流型图。

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图5 Revellin-Thome非绝热流型图(B: 泡状流; S: 弹状流; A: 环状流; M: 雾状流)

从图中可以看出,该图以总质量流量和蒸汽质量为坐标,只包含了主要的流型:泡状、弹状、环状和滴状。所绘制是特定于一种流体、工作压力、通道加热长度和热流密度的图。由Revellin和Thome提出的相关关系可以推导出类似于图5的其他流体和不同工况下的非,以预测不同流型之间的转变。其中,表征泡状流向弹状流(xB/S)弹状流向环状流(xS/A)环状流向滴状流(xA/M)过渡的蒸汽质量值可估算为:

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其中:

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向统一的多尺度力学流型图发展

两相流中的热流体现象与流型有着密切的联系,因此力学预测方法应该是基于流型的,并结合每种流型的基本物理特性。特别是未来用来预测局部流动沸腾和冷凝换热系数,两相摩擦压降等的力学模型的发展需要基于特定流型,而不是忽略流型影响的盲目的经验法,许多特征都必须定义流态(其拓扑结构,反复发生的现象的频率和规模等等)。

此外,建立这样的模型,嵌入这些信息和方法预测它们在力学的流型图至关重要。Thome等人提出发展一个统一的力学多尺度流型图,作为两相流与传热共同体的基础,通过共同努力在未来取得更大的进展。例如,在微通道中研究弹状流的力学模型都需要了解气泡频率、气泡长度、液塞长度、气泡与壁面之间的液膜厚度等。如果将这些细节都耦合到一个力学的微通道流型图中,那么就可以根据新模型作为研究起点。如此就可以得到一组统一的方法,所有这些方法都是相互一致的。