论文总字数：17238字

摘 要

随着微加工技术的快速发展，越来越多的设备元件趋向于小型化、微型化，如用于冷却微电子电路的微型热交换器以及环境评估中使用的便携式反应堆与用于生物基因工程的晶格芯片等。这些元件的工作原理和设计，都涉及到了直径在1mm以下微通道内气液两相流的问题。为更加深入了解两相流的流动状态，我们搭建了相关实验的试验台对其进行研究。

本次实验中，用配有电子显微镜的工业高频摄像机对Y型微通道进行可视化观测。通过改变水和空气的流量比分析了液滴形态的变化情况。对流型分析时，实验中产生了弹状流。我们对弹状流产生的原因进行了分析，并探讨了雷诺数对流型的影响。结果表明雷诺数Re越小，对流型的稳定性影响越大。

在压降研究分析时候，对所进行的几组实验的压力信号进行记录，分析雷诺数与压降之间的关系。发现雷诺数Re增大导致通道中气液两相流所受的惯性力增强，更多的液体流过通道，这使得压降与Re是成正相关的。

关键词：气液两相流；Y形微通道；雷诺数；

Experiment Study on Gas-liquid Two-phase Flow in Y-type Microchannel

Abstract

Nowadays, with the rapid development of microfabrication technology, more and more device components tend to be miniaturized and miniaturized, such as micro heat exchangers for cooling microelectronic circuits and portable reactors used in environmental assessment and for biological genes. Engineering lattice chips etc. Some of the components involve problems with gas-liquid two-phase flow in microchannels with a diameter below 1 mm. In order to understand the flow state of the two-phase flow more deeply, we set up a test bench for related experiments to study it.

In this experiment, the Y-type microchannel was visually observed using an industrial high-frequency camera equipped with an electron microscope. Changes in droplet morphology were analyzed by changing the ratio of water to air flow. During the convection analysis, a slug flow was recorded in the experiment and the cause of the slug flow was analyzed. The results show that the smaller Re, the more stable and clear flow pattern.

During the analysis of pressure drop, the pressure signals of several sets of experiments were recorded. It was found that the increase of the Reynolds number Re induced the inertial force of the gas-liquid two-phase flow in the channel to increase, and more liquid flowed through the channel. The pressure drop is positively correlated with Re.

Keywords: gas-liquid two-phase flow;Y-shaped microchannel; Reynolds number;

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景及其意义 1

1.2 流型与国内外的研究现状 1

1.2.1 气液两相流流型 1

1.2.2 国内外研究现状 2

1.3微通道的尺寸与定义 4

1.4本文主要内容 5

第二章 实验原理和实验装置 7

2.1引言 7

2.2实验平台 7

2.3实验设备 8

2.3.1实验段 8

2.3.2动力及流量系统 9

2.3.3压力测量设备 10

2.3.4实验工质 11

2.4 本章小结 11

第三章 Y型微通道内气液两相流流型实验及结果分析 12

3.1实验过程和实验方法 12

3.1.1实验前准备工作 12

3.1.2实验方法及步骤 12

3.1.3实验注意事项 13

3.2观测流型 13

3.3流型分析 15

第四章 Y型微通道两相流压力实验及其结果分析 16

4.1实验过程与方法 16

4.1.1实验前的准备工作 16

4.1.2.实验的方法及步骤 16

4.2两相流压降实验结果及其分析 17

4.2.1两相流压降数据计算 17

4.2.2实验数据的处理 18

4.3误差分析 19

4.4经济性分析 19

第五章 总结与展望 20

5.1总结 20

5.2对未来的展望 20

参考文献 22

致 谢 25

第一章 绪论

气液两相流目前已在相当多的领域内得到了广泛的应用。气液两相流不但已成为了人类生产、生活不可或缺的存在，甚至还直接影响着我国国民经济的发展。所以说对于气液两相流中流型和压降的研究，有着十分重要的意义。

1.1研究背景及其意义

作为微型管道的一种，Y形微通道由于其独特的形式，在能源、化学、生物等工程领域^[1]表现出其独特的作用。在二十世纪九十年代的时候，就有学者提出,将流体流动以及传热在人们生产、生活方面充分利用^[2]。在许多微化工设备内有着不少弯管结构，比如在微冷凝器、微蒸发器、微反应器及微燃料电池 ^[3]，这种微结构能够实现有限区域内的长距离输送，这对于面积不大或空间狭小的设备来说意义极其重大^[4]。流动型态是研究两相流动行为的基础，不同的流动型态和方式的气液两相流，在不同流速或者微通道内，气体和液滴的分布位置不同。这给微型热交换设备的不同侧壁表面带来了一定的差异的影响，故有必要对其流动机理进行深入研究。

1.2 流型与国内外的研究现状

1.2.1 气液两相流流型

由于微通道尺度的微小化，流体力学特性的改变，其流型与常规尺度相比会有很大的差别，研究者通过大量的实验、模拟观察发现，随着气相和液相表观流速的变化，微通道内会出现多种流型，如泡状流、弹状流、环形流等。早期的研究中，TRIPIETT等试验观察到了泡状流、Taylor流和搅拌流，其中弹状-环状流较为特殊，并将流型图和关联式计算得出的结果比较，发现有的关联式不适用于微通道内气液两相流。由于研究者们在模拟或实验中的使用的通道结构尺寸、两相流体的物理性质和初始条件设置的不同观察到的流型必然会有一定的区别，命名自然也有差异。CHEN等观测到的氮气和水在玻璃微通道中的两相流流型有泡状流、弹状流、气泡-火车弹状流、搅拌流和环状流，与TRIPIETT不同之处在于没有观察到弹状一环状流，而是观察到了气泡火车弹状流。

1.2.2 国内外研究现状

微通道内气液两相流指的就是在尺寸极其细微处引入两种不相容的流体。与单相流的根本区别在于系统中存在由相界面分离的物质成分。相界面的存在产生气泡或液滴，使得液滴的流动变得不规则，并且由于马兰戈尼效应的存在，流动更加复杂。目前应用最广泛的微通道两相流是气液两相流。

在早期， Triplett等^[5]曾在做气液两相流实验的时候，对直径是1.09mm圆形微通道中空气和水的流型进行过专项研究，获得了分层流、弹状流、环状流、弹状一环状流及泡状流等多种流型。Madhvanand N.Kashid^[6] 对矩形微通道中甲苯和水的流型进行了研究，获得了环状流、变形界面流、弹状—滴状流及弹状流等流型。Zhao等人^[7] 对三角形微通道中空气和水的流型进行了研究，其在0.866mm通道中获得了分层流、弹状流与团状流。气泡流出现在三种流型之外，这表明通道尺寸对流型的形成有一定的影响。天津大学朱春英等人^[8]对40 μm×100 μm的Y型微通道两相流的流型进行了研究。获得了三种稳定的流型—平行流、弹状流和滴状流，还获得了三种不稳定流型——弹状平行流、波动界面平行流、小滴群等。然而，随着时间的流逝，这些流型逐渐转向前三种稳定的流型。东北电力大学周云龙等^[9]在100 μm×800 μm的T型微通道内以N₂和H₂O为工质，在气相表观速度J_G为0.01-0. 5m/s、液相表观速度J为0.1m/s的状态下，周云龙采集到了弹状流、弹状环状流、分层流、环状流以及搅拌流这几种流型。上海理工大学马虎根教授在内径为800μm的单管内分别考察了R32/R134a低速区和高速区下流型的变化过程^[10]，他证明了，在低速时，工作流体清楚地表现出活塞流，然后逐渐过渡到环形流。在高速时，工作流体的流型相对单一，主要流型是气状流和雾状流。实验中未发现分层流。可以看出，不同学者对流型的观察结论并不相同。这与工作介质的选择和通道的形状有关。

请支付后下载全文，论文总字数：17238字