微小三通管弹状流与环状流相分配机理对比研究

杨　美，臧　新，周云龙

(1.东北电力大 学能源与动力工程学院,吉林 吉林 132012；2.中广核工程有限公司,广东 深圳 518000)



微小三通管弹状流与环状流相分配机理对比研究

杨美1，臧新2，周云龙1

(1.东北电力大 学能源与动力工程学院,吉林 吉林 132012；2.中广核工程有限公司,广东 深圳 518000)

采用计算流体动力学方法，通过改变支管倾角，对微小三通管道模型进行了数值模拟，研究了入口流型为弹状流和环状流时，微小三通管道的相分配特性，分析了管道中气相和液相的体积分数分布规律。结果表明，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。对比研究微小三通管弹状流与环状流相分配机理,入口流型为环状流时，支管倾角为60°的管内流动，经过三通管道，延续环状流稳定方面有较大优势，可获得最佳的相均匀分配;入口流型为弹状流时，当支管倾角减小为20°和30°时，两者质量分离效率相差小于5%，质量分离效率最低，可获得最佳的相均匀分配。

相分配；微小三通道；弹状流；环状流

在微化工领域内，紧凑型和微小型热交换器的需求日益增加，如燃料电池周围需要配置大量水力半径在微米级的热交换器。三通管是一种常用的流体分配器，不可避免会出现相分配不均的情况[1-2]，工程上总是希望工质可以均匀分配给下游，以免影响下游设备的正常运行。

气液两相流在微通道中流动经过三通管道时，会出现气相和液相分配比例不一样，在主管和支管中的空气和水的百分比有明显差异。含气率高的管道会出现设备干烧现象，严重影响管道的安全运行，甚至出现管道爆裂情况,Alamua M B[3]，Wren E[4]对相分配不均情况做了详细的研究。因此，微小三通管内的流量分配及相分配特性的研究显得越来越重要。

近些年来针对气液两相流过T形管时的相分布已进行了较深入的研究，对于气液两相流流动的分配特性，国内外已经进行了深入的探讨和研究[5-7]。在微小通道中相分配的情况只有少数人研究，Stacey T开始用数值模拟方法来模拟部分实验结果[8]，Kim等[9]人通过可视化实验发现微通道由于管壁之间空间狭小，气体很难携带液滴，液体只会以液膜的形式流动。这些都是对5mm以上常规尺寸通道下的研究，在微小通道中相分配的研究只有一小部分，本文针对微小三通管弹状流和环状流相分配特性对比研究，探讨气液两相流相分配机理。

1　微小三通管物理模型

微小三通通道截面积为矩形(100 μm×800 μm)，主管为弹状流流动，主支管与侧支管长度均为1 cm。模拟流体为氮气和质量分数为0.01%的十二烷基硫酸钠水溶液(0.01%SDS)。本方案选了6组主管与支管夹角θ，平面图如图1所示，整个详细的模拟过程参见文献[10]所述。

2　模拟结果与分析

2.1数值模拟的可行性和准确性

为了验证计算流体动力学(CFD)模拟结果的可行性和准确性，将本模型与周云龙[11]实验所做的T型微通道两相流弹状流型和环状流进行对比，模拟结果与实验结果有很好的一致性[11-12]。

2.2支管倾角对弹状流和环状流相分配的影响

支管出口液相采出分率计算公式

F3w=M3w/M1w×100% ，

(1)

式中：M3w与M1w分别为支管出口液相质量流率和主管入口液相质量流率，kg/s。

支管出口气相采出分率计算公式

F3a=M3a/M1a×100% ，

(2)

式中：M3a与M1a分别为支管出口气相质量流率和主管入口的气相质量流率，kg/s。该流动为非稳态流动，在不同时刻支管采出率是不同的，取各个时间段的时均值。

通过对微小三通管道模型的数值模拟，得到入口流型为弹状流和入口流型为环状流时，不同支管倾角下的微小三通管道的相分配特性。对角线为两相均匀分配的等分线，如图2、图3所示。

图2　不同支管倾角对弹状流相分配特性

图3　不同支管倾角环状流的相分配特性

支管倾角不同时，弹状流的相分配特性不同，支管出口气相采出分率总大于支管出口液相采出分率，如图2所示。说明弹状流在管内发生了不均匀分离，此时支管气相采出占优。在气液弹状流中，气弹和液弹交替流动，气体和液体因为密度差大，液体的动能大于气体的动能[13]，在分叉处液体不易于改变流动方向进入支管中，而大量气体进入支管，造成支管中气相采出分率大于液相采出分率。当支管倾角减小时，分离效率逐渐降低。支管倾角越大，连接处动能损失越大，气体动能损失大于液体动能损失，导致大量气体改变方向进入支管，而液体选择进入主管，很少部分进入侧支管。倾角越大，流入侧支管的气体体积分数越大，造成相分配不均越明显。

环状流在一定范围内改变支管倾角对连接处的相分布有明显影响，如图3所示。由于气液两相环状流中，中间气流速度通常很大，而两侧液膜速度相对较小。气流区通过液膜交界面的拖拽作用使液膜上升速度高于液体入口速度。通过气液剪切机理，管道内壁面的剪切应力是环状流的主要流动阻力。在连接处，壁面附近的粘性力占主导地位，液体惯性力相对较小，近壁侧的液膜随着壁面粘性力和气体对液体的剪切应力进入支管，而中间气流速度较大，且不受壁面粘性力影响，其惯性力占主导地位，大部分流进主管道。支管倾角较小时，在延续环状流流场稳定性方面有较大优势，气体在侧支管的体积分数大于在主管中的体积分数。

2.3支管倾角对弹状流和环状流相分配机理对比研究

2.3.1支管倾角为90°时环状流与弹状流的相分配特性对比

图4　环状流与弹状流的相分配对比图

主管与支管倾角为90°时气液两相的相分配特性，如图4所示。液体速度为0.05 m/s、气体速度为0.05时的环状流与液体速度为0.035 m/s、气体速度为0.1时的弹状流相分配特性对比图。由图4可以观察到，环状流的数据大部分在两相均匀分布线的上方，弹状流的数据大部分在两相均匀分布线的下方。这说明当流型为环状流的时候，液体比气体更容易从侧支管采出；当流型为弹状流的时候，液体比气体更容易从侧支管采出。

2.3.2改变支管倾角对环状流与弹状流的相分配特性对比

入口流型为环状流时，当支管倾角为90°、120°、150°时，液相优先从侧支管中采出；支管倾角为30°时，气相优先从侧支管中采出；支管倾角为60°时可获得最佳的相均匀分配。通过微通道侧支管结构的改进，减少相分配的不均匀性。

入口流型为弹状流时，当支管倾角为20°-150°时，气相优先从侧支管中采出。弹状流的相分配在支管倾角越大时，质量分离效率越高，大部分气体选择从侧支管采出，发生了重新分配。当支管倾角减小时，分离效率逐渐降低，支管倾角减小为20°和30°时，此时分离效率相差小于5%，质量分离效率最低，得到最佳的相均匀分配。

气液两相环状流中，中间气流速度通常很大，而两侧液膜速度相对较小。气流区通过液膜交界面的拖拽作用，使液膜上升速度高于液体入口速度[14]。通过气液剪切机理，管道内壁面的剪切应力是环状流的主要流动阻力。在连接处，壁面附近的粘性力占主导地位，液体惯性力相对较小，近壁侧的液膜随着壁面粘性力和气体对液体的剪切应力进入支管，而中间气流速度较大，且不受壁面粘性力影响，其惯性力占主导地位，大部分流进主管道。支管倾角较小时，在延续环状流流场稳定性方面有较大优势，气体在侧支管的体积分数大于在主管中的体积分数。支管倾角越大，连接处动能损失越大，液体速度降低，环状流中液体受到中心处速度大的气体剪切作用越强，导致大量液体顺着管壁流入侧支管道。当倾角大于等于90°时，液体在侧支管的体积分数大于在主管中的体积分数，出现相分配不均现象。

气液弹状流中，气弹和液弹交替流动，气体和液体因为密度差大，液体的动能大于气体的动能，在分叉处液体不易于改变流动方向进入支管中，而大量气体进入支管，造成支管中气相采出分率大于液相采出分率。当在气相速度一定时，随着液相速度的增加，液体动能增大，液体更多的从主管中采出，造成支管中液相采出分率逐渐减小。在液相速度一定时，随着气相速度的增加，气体的动能增加，气体不易于改变流动方向，在分叉处选择进入主管的气体增加，造成支管中气相采出分率逐渐减小。

2.4环状流与弹状流的最佳相均匀分配特性对比

图5　环状流与弹状流的最佳相均匀分配对比图

根据采用Yang[16]的方法，质量采出分率与分离效率的关系得出：支管倾角为60°时，环状流的质量分离效率最低时，此时可获得最佳的相均匀分配；支管倾角为30°时，弹状流的质量分离效率最低时，此时可获得最佳的相均匀分配。环状流和弹状流此时分离效率都在10%以下，大致可以认为此时两相在主管与支管均匀分布，此时两相流经过分叉处没有发生相的重新分配，如图5所示。在工程实际应用中，支管倾角为60°的三通管可以作为环状流的相均匀分配管道；支管倾角为30°的三通管可以作为弹状流的相均匀分配管道。

3　结　　论

入口流型为环状流时，液相采出分率随着液体的速度增加而减小，而气体的速度对液相采出分率影响不大。当支管倾角为90°、120°、150°时，液相优先从侧支管中采出；支管倾角为30°时，气相优先从侧支管中采出；支管倾角为60°的管内流动，经过三通管道，延续环状流稳定方面有较大优势，可获得最佳的相均匀分配。

入口流型为弹状流时，当支管倾角为90°、120°、150°时，液相优先从侧支管中采出；支管倾角为30°时，气相优先从侧支管中采出；支管倾角为60°时，可获得最佳的相均匀分配。入口流型为弹状流时，当支管倾角为20°-150°时，气相优先从侧支管中采出。当支管倾角减小时，分离效率逐渐降低，支管倾角减小为20°和30°时，此时分离效率相差小于5%，质量分离效率最低，得到最佳的相均匀分配。

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Comparison the Mechanismof Phase Split of Slug and Annular Flow in Micro-Junction

Yang Mei1，Zang Xin2,ZHOU Yun-long1

(1.Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012；2.China Guangdong Nuclear Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518000)

Numerical simulation for micro-junction of different branch pipe dip angle was carried out by using the CFD method.The phase split characteristic of slug and annular flow in micro-junction was investigated and the phase volume fraction distribution was analyzed.The results show that Phase separation characteristics of micro channel is influenced by two phase flow upstream flow pattern.Slug priority in the branch current in phase extraction,whereas the annular flow of liquid produced in the branch pipe.Comparison mechanism of Phase Split of Slug and annular Flow in Micro-Junction.when the type inlet flow to annular flow,when the branch pipe dip angle is 60°,after a three-way pipes,continuation of annular flow stability has great advantages,the phase split characteristic is uniformity.when the type inlet flow to slug flow，For the branch pipe dip angle of 20°and 30°,the quality of separation efficiency difference is less than 5%,causing a lowest quality separation efficiency.

Phase split flow；Micro-junction；Annular flow；Slug flow

2016-04-18

杨美(1988-)，女，贵州省铜仁市人，东北电力大学能源与动力工程学院助教，硕士，主要研究方向:气液两相流流动及传热.

1005-2992(2016)04-0073-05

TP29

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