文 献 综 述

一：前言

随着科学技术的发展，微尺度内的流体力学问题成为一个重要的发展趋势，与常规通道相比，微通道内的流动出现了一些特殊的现象。1959年美国著名物理学家P.Feynman预言微小型系统将展现出广阔的发展空间，微型化将成为科技发展的一个重要特征，在科技领域将会发挥非常重要的作用。早在1977年，Batchelor[l]就提出”微水动力学”的概念，微通道内的流体流动虽然遵循一般流体力学的理论，但也会出现不符合常规的现象。20世纪90年代初，Manz和Graber[2]以微机电系统为基础正式提出微全分析系统(micro totalanalysis systems, (TAS)，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的设备中，集成到尺寸很小的芯片上，这一技术的最大优势在于可以将多种单元在微小的可控实验平台上灵活操作。
随着MEMS概念的提出，微尺度通道内两相流的流型成为了重要的研究热点。蛇形结构在许多工业应用中显示了独特的魅力，其广泛存在于乏风氧化装置、微反应器、质子交换膜微燃料电池以及迷你空调的微蒸发器、微冷凝器等等，该结构可以在有限的面积上实现长距离输运，这对微反应器件狭小的空间显得尤为重要，一些学者已经证实这种结构具有独特的优势。苏黎世联邦理工学院Fries等[3 ]在深度150 um的蛇形微通道内，通过改变截面宽度以及曲率半径，对罗丹明B染液、氮气两相流动进行了大量观测，进一步指出这
种结构可以增强传质特性。Iranzo等[4]采用中子成像技术详细研究了PEMFC电池(蛇形结构、区域面积50 cm2)内的两相分布，认为结构设计良好的电池可以改善阴极侧的除水能力，从而提高电池的输出性能。流动状态直接决定了流场分布的合理与否，同时流型作为流动行为研究的基础，在传质传热方面有着重要的影响，直接关系到设备的安全与效率。
通过研究不同的流型，可以更好地分析不同工况条件下的两相流动特性。但是由于微通道结构、形状、尺寸以及流体相速度、粘度、表面张力等各种因素的影响，微尺度下的两相流动有待进一步研究。本课题旨在微米级别的通道内通过改变气、液两相流速对不同工况下的流型进行可视化研究，以探索区别于常规通道的不同流动机理，从而为实际应用提供一定的理论指导和技术支撑。

二：国内外研究现状

微通道内两相流动是在微尺度下引入两种互不相容的流体，与单相流动的根本区别在于体系中存在着被相界面分开的物质组分，相界面的存在使得气泡或者液滴的流动变得没有规律，再者由于马兰戈尼效应的存在使得流动更加复杂。目前，应用最广泛的微通道两相流动是气液两相流，由于微通道尺度的微型化、实验工质、截面形状以及壁面润湿特性
的影响，到目前为止世界各国学者对流型还没有一致的认识，甚至具体的命名也都不相同。
在早期两相流实验中，Triplett等[[5]曾对直径为1.09mm的圆形微通道内空气、水两相流型进行了研究，得到的流型有泡状流、弹状流、弹状一环状流、环状流。Madhvanand N.Kashid以水和甲苯作为实验工质，在微通道内拍摄到了弹状流、弹状一滴状流、变形界面流以及环形流。外国学者对不同当量直径的三角形截面内空气、水的两相流动体系进行了研究，在0.866mm的通道中观测到了弹状流、翻腾流和液环流，而在1.443 mm和2.866mm的通道中除了以上三种流型外还出现了气泡流，这说明通道尺寸对流型形成具有有一定的影响。
此外，Kawahara等[}m]根据流型出现的概率提出了四种流型区域:弹状一环状流、环状-弹状流、半一环状流、多相流。Zhao在300 mmX 600mm的PMMA矩形微通道中以水和煤油为实验工质，通过改变两相流体的流量最终观察到弹状流、单液滴流、液滴群流、平行流、环状流这5种稳定的流型，并以各自的We数为坐标绘制流型转换图，根据流型形成的机理作者又将其划分为界面张力区、惯性力区以及界面张力和惯性力共同作用区。而Pehlivan等[[13坝」以空气和水为试验相，对直径分别为0.8mm, lmm, 3mm的圆截面微通道内的流型进行了观测，结果看到气泡流、间歇流、翻腾流和液环流四种不同流型，并将流型图划分为表面张力控制区和惯性力控制区。还有Shao等[[14]指出随着气液相速度的不同，惯性力、粘性力和表面张力在两相流型中所起的主导地位也不一样，泡状流和Taylor流属于表面张力控制区，搅拌流和Taylor一环状流属于过度区，分散流和环状流属于惯性力控制区。从Kawahara Zhao Pehlivan, Shao等人的研究中可以发现，随着气相、液相各自表观速度的改变，惯性力、粘性力以及表面张力都不同程度的发生变化，从而导致微通道内的流型也相应的受到了影响。
西安电子科技大学宋正梅[[15]对直入直出型、直角S型和圆角S型三种形式的0.5 mm X3 mm的12条矩形微通道在相控阵天线上的应用进行了仿真，结果发现S型通道比直入直出型的可使单位质量的流体流过T/R组件的时间变长，而且单位时间内流经T/R组件下方的流体增多，这样会带走更多的热量，而圆角S型通道组件上的最大温差还比直角S型的大1摄氏度。中科院广州能源所甘云华、徐进良通过对水力直径为155.3um的微通道内一个完整周期内可视化照片的分析，得到了四种不同的流型:液塞/长汽泡流、含汽弹的液塞流、含汽泡的液塞流、瞬变环状流。进一步表明了流型在研究传热传质过程中的重要地位。

三：总结

可以看出，微尺度下的气液两相流动与常规通道有着较大的差异，其流型主要受到通道本身(大小、形状、尺寸等)以及流体相(速度、粘度、表面张力等)两方面因素的影响。微尺度下可能还存在着一些许多大通道内难以出现的流型，而在已发现的流型中，各位学者对其的认识和命名也不相一致，传统的流型判别理论对微通道气液两相流并不具有普遍的适用性，尚待进一步的完善和发展。

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