T型微通道内两相流流型及相分离特性

周云龙，刘 博，刘 袖，尚 达

（1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.吉林省电力有限公司电力科学研究院，吉林 长春 130000）

T型微通道内两相流流型及相分离特性

周云龙1，刘 博1，刘 袖1，尚 达2

（1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.吉林省电力有限公司电力科学研究院，吉林 长春 130000）

以氮气和水为工作流体，在矩形截面为100 μm×800 μm的T型微通道内进行了气液两相流可视化实验，观测到弹状流、弹状-液环流、环状流、分层流和搅拌流，得到了流型图和流型转换界限。通过对比对弹状流、环状流和分层流相分离实验结果，证明在T型微通道内气液两相流相分离特性受上游流型影响。上游流型为弹状流时，气体优先从侧支管采出；上游流型为环状流时，液体优先从侧支管采出；上游流型为分层流时，气体只从其中一条支管中采出。当流型一定时，液相采出分率随着入口液体速率增加而减小，而气体速率变化对液相采出分率影响不大。

T型微通道 气液两相流 流型 相分离

T型微通道作为一种特殊形式的微型管道，广泛应用于电子冷却、化工工艺、基因工程等领域。随着微型管道内两相流技术的发展，有关微型管道的两相流特性研究愈加受到重视。气液两相流经过T型三通时，液体和气体会选择各自的优先路径，两条支管（侧支管和直通支管）的干度会出现明显差异，这种现象被称为偏流现象或相分离。一方面，T型管作为换热器分配元件，出现偏流现象，会使支管路中缺少液体，导致传热恶化，严重影响下游设备的正常运行，甚至损毁设备；另一方面，可以利用T型管的相分离特性，实现气液两相流中气体和液体的初步分离[1-4]。因此，对T型管相分离特性的研究十分重要。到目前为止，管径大于5 mm的常规T型管两相流相分离特性研究比较多。Hong等[5]对石油输送管网内的T型三通进行了相分离实验研究；Ballyk等[6,7]分别用蒸汽水系和空气水系对水平T型三通的相分离特性与压力损失进行了研究，而Hwang[8]则在大量实验数据的基础上建立了理论模型，这一模型后来被很多实验所证实。目前，国内外对微通道内气液两相流相分离特性的研究不多，只有Azzi等[9]对管径为1 mm的T型微通道内弹状流相分离进行了研究，并没有对其他流型相分离行为进行探讨。本实验利用高速摄影仪，通过可视化手段对微米级T型微通道内气液两相流流型进行界定，绘制流型转换图，并对不同流型的相分离特性进行分析对比，以期通过实验研究，分析流型对气液两相流在T型管内分离的影响，为合理设计微型换热器的气液流动分布结构，保证微通道内优异的传热传质特性提供理论指导和技术支撑。

1 实验部分

1.1 实验设备

所用的T型微通道如图1所示。通道截面为矩形（100 μm×800 μm），气液两相进口段为10 mm，混合段为20 mm（由于通道截面的当量直径为0.178 mm，与混合段的长度距离很大，可以使气液两相混合均匀），主支管与侧支管为 10 mm。实验所用微通道注射泵由北京善德仕医疗科技有限公司生产，型号为SDS-MP09（速率精度±3%）。支管液体流量采用上海精天FA2004A电子天平（精度为0.1 mg）测量，气体流量由D-600MD数字型质量流量计（精确度±1%）测量。高速摄影机的最大分辨率为1 536×1 024，最大帧频达到每秒10 000帧，可以清晰地抓拍到微通道内气液两相流瞬间行为，并记录在计算机内。本实验采用的玻璃微通道由浙江大学微分析实验室制作。

图1 T型微通道Fig.1 sketch map of micro-T-junction

图2 实验装置原理Fig.2 Schematic diagram of experiment apparatus

1.2 实验方法

实验在常压室温下进行，实验装置如图2所示。气体与液体分别由注射泵注入到微通道内。在微通道内，气体和液体经过20 mm混合通道后在T形处重新分配。此过程用高速摄像机记录并采集流型。完成一次实验后再逐渐增加液体与气体流量，重复上述过程，最后绘制出流型转换图。

根据之前实验绘制出的流型转换图选取不同流型所要测量的数据点，进行气液两相流相分离实验。两相流在T形处重新分配后经过支管进入气液分离器，进行气液分离。用高精度天平测分离后的液体速率（在3 min内测其总质量），气体速率由D-600MD数字型质量流量计（精确度±1%）测量，并由Azzi等[9]设计的气泡流量计进一步监测。进口气体流量与出口气体流量相差9%以内认为数据有效，进口液体流量与出口液体流量相差5%的数据认为有效。

2 结果和讨论

2.1 T型微通道内上游两相流动典型流型

与常规管道相比，目前还没有普适性的流型图和流型转换界限识别微通道内两相流流型，所以首先要绘制出与本实验条件相符的流型图和流型转换界限。在折算液速（jG）为0.01～0.5 m/s，折算气速（jL）为0.1～5 m/s采集到弹状流、弹状环状流、分层流、环状流和搅拌流流型图像，如图3所示。

图3 气液两相流典型流型Fig.3 Typical two-phase flow patterns

以气相折算速率为纵坐标轴，以液相折算速率为横坐标轴，整理实验数据所得流型图及其转换界限如图4所示。由图4可以看出，弹状流、弹状环状流、环状流所占流型图比例较大，分层流所占比例较小。“□”表示进行相分离实验所选择的数据点，把这些数据点标注在流型转换图上，确认该实验点的流型。

图4 流型图及流型转变界限Fig.4 Flow regime map and flow regime transition criteria

2.2 弹状流相分离

以气相采出分率（侧支管出来的气体质量流量与进入主管气体的质量流量之比）为横坐标，液相采出分率（侧支管出来的液体质量流量与进入主管液体质量流量之比）为纵坐标，整理数据得到相分离特性曲线图，如图5所示。对角线为两相均匀分布线，实验数据点越接近两相均匀分布线，分配效果越好；实验数据点越远离两相均匀分布线，分配效果越差。当数据点位于顶点（1, 0）或者（0, 1）时，达到完全分离。实验数据在对角线下方表示气相在支管中优先采出，实验数据在对角线上方表示液相在支管中优先采出。

图5 液体速率对弹状流相分离的影响Fig.5 Effects of liquid velocity on phase split of slug flow

图6 气体速率对弹状流相分离的影响Fig.6 Effects of gas velocity on phase split of slug flow

由图5可以看出，气体折算速率为0.5 m/s时，液相采出分率随着液体折算速率增加而降低。由图6可以看到，液体折算速率为0.16 m/s时，液相采出分率随着气体折算速率的增加没有发生明显变化。从图5和图6可以看到，数据主要在两相均匀分布线以下，说明弹状流的气体优先在支管中采出。

2.3 环状流相分离

由图7可以看到，气体折算速率为4 m/s时，液相采出分率随液体速率的增加而降低。

图7 液体速率对环状流相分离的影响Fig.7 Effects of liquid velocity on phase split of annular flow

图8 气体速率对环状流相分离的影响Fig.8 Effects of gas velocity on phase split of annular flow

由图8可以看到，液体折算速率为0.16 m/s时，液相采出分率没有因为气体速率的变化而发生明显改变。从图7和图8可以看出，数据主要在两相均匀分布线以上，说明环状流的液相优先在支管中采出。

2.4 分层流相分离

目前为止，微通道分层流的研究很少。在本实验中观察到了稳定的分层流型，气液两相有着清晰而平坦的界面，界面波动幅度不大，波动频率较低，但是从图4看到分层流存在的范围界限很小。Biswas等[10]认为微通道中分层流的出现是由表面张力引起的。气体层在微通道内靠近气体入口侧壁面流动，液体层在微通道内靠近液体入口侧壁面流动，且在T形处，气体只从其中一条支管中采出（如图9所示）。图9中a图的气体层在微通道左侧，气相采出分率接近100%；图9中b图的气体层在微通道右侧，气相采出分率约为0%。这与5[11]，76[12]和10 mm[13]的T型管分层流相分离的实验结果有很大区别（如图10所示）。这是因为微通道内的气液两相流的特征与宏观大尺寸通道有很大差别，微通道两相流特征受表面张力、润湿性、混合方式等影响显著，而宏观大尺寸主要受重力和惯性力影响。

图9 分层流Fig.9 The stratified gas-liquid flow

图10 不同管径中的相分离数据对比Fig.10 Comparison of phase split data from different diameters

2.5 两种典型流型的实验结果对比分析

2.5.1 相似之处

通过分析弹状流和环状流的相分离特性，发现两种流型的液相采出分率随着液体速率增加而减小，气体速率变化对液相采出分率影响不大。当液体速率减小时，弹状流的液体动能（ρu2，ρ为流体密度，u为流体速度）随液体速率下降得更多，所以会有更多的液体在支管中采出。当环状流液体速率降低时，环状流的液膜厚度增加，致使液相采出分率变大。

气体速率变化对液相采出分率影响不大这一实验结果与Stacey[14]所做的小管径T型通道（5 mm）气液两相流相分离实验结果相似，与Azzopardi[15]所做的大管径气液两相流相分离的实验结果不同（Azzopardi的实验结果为液相采出分率随着气体速率降低而增加）。Azzopardi认为降低进口气体速率会减少气体携带液体的量，进而增加了液膜厚度，使液相采出分率增加。然而，本实验是在微通道环境下进行的，通道狭窄，气体中携带液体量很小，即便是改变了气体速率，气体携带液体量变化也不大，液相采出分率基本不变。

2.5.2 不同之处

图11为液体折算速率为0.16 m/s时，不同气体折算速率下相分离特性对比图。由图可以看出，弹状流的数据主要集中在两相均匀分布线下方，说明弹状流的气相优先在支管中采出。因为两相流流型为弹状流时，微通道内液体速率和气体速率几乎相等，如图 12（a）。在这种状态下，液体比气体具有更大的动能，因此有更多的气体流入支管。弹状流的液相采出分率范围为0.1～0.9，这主要是因为弹状流的气弾和液柱相间向前流动，脉动性强，流动不稳定。

图11 两种典型流型相分离特性对比Fig.11 Comparison of phase split of two typical flow patterns

图12 在T型处三种典型流型Fig.12 Three typical flow patterns at T-junction

从图11中看出，环状流数据主要集中在两相均匀分布线上方，说明环状流的液体优先在支管中采出。这是由于环状流的气体速率比液体速率大很多，具有很高的动能，气体趋于从主支管采出，而液体趋于从侧支管中采出。另外环状流液体均匀地分布在管壁上，形成了一层液膜，如图12（b）所示，当液膜在T形处失去了管壁支撑，液体很容易进入支管当中。环状流的液相采出分率主要集中在0.30～0.65。这是因为环状流流动结构简单、稳定，所以流入支管当中的液体也相对稳定，液体采出量也相对集中。值得注意的是，弹状环状流作为弹状流和环状流的过渡流型，相分离特性也表现出其相对的过渡特性，如图12（c）。

3 结 论

通过可视化实验手段获得典型流型图像，整理实验数据，绘制了矩形微通道内两相流的流型转换图；对弹状流、环状流和分层流三种典型流型的相分离特性进行了具体研究，得到以下结论：

a）T型微通道内的相分离特性受上游两相流流型影响。弹状流气相优先在支管中采出，而环状流的液相优先在支管中采出。

b）当流型一定时，液相采出分率随着液体的速率增加而减小，而气体的速率对液相采出分率影响不大。

c）当分层流出现时，气体完全偏流向其中一条支管。工程中可以通过控制气体和液体的速率，避免分层流出现。

[1]Azzopardi B J, Colman D A, Nicholson D. Plant application of a T-junction as a partial phase separator[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2002, 80(1): 87-96.

[2]王 栋，林宗虎. 一种新的气液两相流体流量计—三通管型分流分相式两相流体流量计[J]. 工程热物理学报, 2001, 22(4): 488-491.Wang Dong, Lin Zonghu. A new type of type of gas-liquid two-phase flow meter-T-junction esm two-phase flow meter[J]. Journal of Engineering The

[3]王 栋, 林 益, 林宗虎. 利用T型三通测量气液两相流体的流量和干度[J]. 热能与动力工程, 2002, 17(4): 336-338,348.Wang Dong, Lin Yi, Lin Zonghu. Measurement of flow rate and dryness of a vapor-liquid two-phase fluid by using a T-junction[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy&Power，2002, 17(4): 336-338,348.

[4]杨利民. 两相流新型分离器-T形三通管的研究进展[J].化工进展, 2008, 27(1): 45-49.Yang Limin. Research advances in a new phase separator of two-phase flows—T-junction[J]. Chemical Industry and Energineering Progress, 2008,27(1): 45-49

[5]Hong K C. Two-phase flow splitting at a pipe tee[J]．J Petrol Technology, 1978, 30: 290-296.

[6]Ballyk J D, Shoukri M,Chan A M C. Steam-water annular flow in a horizontal dividing T-junction[J]. International Journal of Mutiphase Flow,1988, 14(1): 265-285.

[7]Buell J R, Soliman H M, Sims G E.Two-phase flow pressure drop and phase distribution at a horizontal tee junction[J].International Journal of Mutiphase Flow, 1994, 20(5): 819-836.

[8]Hwang S T, Lahey R T. Phase separation in dividing two-phase flows[J]. International Journal of Mutiphase Flow, 1988, 14(4): 439-458.

[9]Azzi A, Al-Attiyah A, Liu Qi. Gas-liquid two-phase flow division at a micro-T-junction[J]. Chemical Engineering Science, 2010, 65(13):3986-3993.

[10]Biswas J, Greenfield P F. Two phase flow through wertical capillaries-existence of a stratified flow patten[J].International Journal of Multiphase Flow, 1985, 11(4): 553-563.

[11]Das G, Das P K, Azzpardi B J.The split of stratified gas-liquid flow at a small diameter T-junction[J]. International Journal of Multiphase Flow,2005, 31(4): 514-528

[12]Peng F, Shoukri M, Ballyk J D. An experimental investigation of stratified steam-water flow in junctions[C]. International Conference on Multiphase Flow, Lyon, France, June 8-12.

[13]齐鹏程, 杨利民, 沈卫红, 等. 气液两相流在T形管处相分离的研究[J]. 常州大学学报(自然科学版), 2010, 22(6): 34-37.Qipeng Cheng, Yangli Min, Shenwei Hong, et al. Study of separation of gas-liquid two phase flow at a T-junction, Journal of ChangZhou University,2010, 22(6): 34-37.

[14]Stacey T, Azzopardi B J, Conte G. The split of annular two-phase flow at a small diameter T-junction[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2000, 26(5), 845-856

[15]Azzopardi B J. Measurements and observations of the split of annular flow at a vertical T-junction[J]. International Journal of Multiphase Flow,1988, 14(6): 701-710.

Flow Patterns and Phase Splitting of Two-Phase Flow in a Micro-T-Junction

Zhou Yunlong1, Liu Bo1, Liu Xiu1, Shang Da2
(1. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China;2. Jilin Electric Power Research Institute Company Limited, Changchun 130000, Jilin Province, China）

With nitrogen gas and water as working fluid, visualization experiments was carried out to study the characteristics of the two-phase flow in a micro-T-junction with a micro-channel cross section of 100 μm×800 μm.Slug flow, slug-annular flow, annular flow, stratified flow and churn flow were observed, and the flow pattern map and flow pattern transition boundaries were obtained. By comparing the results of slug, annular and stratified flow, it was showm that the phase splitting characteristics of the two-phase flow in a micro-T-junction was highly dependent on the inlet flow pattern. When the inlet flow was slug, the gas preferentially entered the side branch;when the inlet flow was annular, the liquid preferentially entered the side branch; when the inlet flow was stratified, the gas completely entered to one branch. The effect of velocity on the phase splitting for all flow patterns was: the liquid taken off decreased with the increase of liquid flow rate, and there was very little effect of the inlet gas flow rate on the liquid take off.

micro-T-junction; gas-liquid two-phase flow; flow pattern; phase splitting

O359.1 文献标识码：A

1001—7631 ( 2012 ) 04—0300—06

2012-08-04；

2012-08-10

周云龙（1960—），男，博士，教授。E-mail: ylzhou@mail.nedu.edu.cn