水平微型通道流动特性试验研究

Othman Ashafai Othman Atpoly¹布迪·桑托索²，白羊座Dwi²，阿玛尔·穆弗里²拉提夫·恩古迪·威巴万托²

印尼Sebelas mararet大学机械工程研究生项目硕士生
印尼Sebelas Maret大学机械工程系

摘要

特别是在紧凑型换热器中，小通道或迷你通道被广泛采用。本文通过实验确定了小通道内气液两相流动的速度和气隙率。通道矩形截面的深度和宽度分别为3mm × 3mm和3mm × 6mm。研究的流量和通道尺寸将应用于流速和含气率的测量，采用了一种基于数字图像分析的方法。气相速度由分布参数C0确定。瓦斯含气率值的描述关系取决于班科夫系数与瓦斯输入体积分数的关系。

关键字

两相流，流型，气泡速度，水平小通道，空隙率。

介绍

空气和水两相流动与发电机组、核工业、微型电气装置等许多装置和应用有关，它们都发生了传热。这种情况对采用排热技术优化换热器的设计效率提出了很高的要求，以消除越来越大的热流。本研究将采用空气和水作为两相流动的工质，采用微型矩形通道，以了解通道尺寸的影响。主要参数为水平小通道的空隙率或超分形速度或气泡速度。

小型通道作为换热器，其流动现象的研究是非常重要的。垂直通道与水平通道的差异导致环空流动区域的测量参数存在明显差异，其中JG大于约10 ms−1[1]。Huang et al.[2]描述了一种基于纹理特征序列的微型管道气液两相流型识别方法。利用高速图像采集系统对微型管道内的气液两相流进行图像采集，观测到5种典型流型(分层流、波浪流、气泡流、段塞流和环形流)。基于以上的描述，由于矩形小通道内空气和水两相流的特性，研究者对矩形小通道内空气和水两相流的研究产生了兴趣。

理论

空气-水混合在管道中的流动可以表现出各种形状和界面表面的分布，可以用来确定流动的特性。流动形态直接影响着流体的压降和换热特性。流动模式的视图如图1所示。从流型观测中收集的数据可以用流型图表示。该流型图用于确定基于给定条件发生的流型。Mandhane et al.[3]以表面液体速度(JL)和表面气体速度(JG)为坐标，将流型图划分为气泡流、堵塞流、分层流、波状流、段塞流、环形流。

方法

本研究的目的是研究在3mm × 3mm和3mm × 6mm通道的试验段内的水-气流动模式以及气泡的速度。本研究采用高速摄像机可视化的方法观察流型。

图2和图3是本研究中所使用的实验装置的示意图。由压缩机提供的空气和水泵提供的水在流量计分别测量它们的流量后进入空气-水混合段。使用卡西欧EXZR1000高速摄像机记录通道内两相混合物流动的图像。视频的速度为1000帧/秒。测量系统由安装在两相流试验段顶部的摄像机和安装在试验段底部的照明系统组成。使用PHANTOM 630软件对图像进行分析，生成参数数据流模式和气泡速度。

结果与讨论

图4至图6为本实验得到的典型流型结果。图4、图5和图6分别对应气泡流、塞流和环形流的界面行为。两个试验段表面流速的增加反映了气泡大小和气泡本身形状的变化。

将得到的流型数据与Mandhane et al.[3]提出的水平流型图进行比较，如图7所示。仔细观察该图，得到的流型数据与Mandhane et al.[3]的流型数据不一致。最后，本文提出了新的流型图，如图8所示。

图9显示了3mm × 3mm通道和3mm × 6mm通道中气体速度值的比较。在本实验中，C0值分别为1.68和178。由于3 mm × 3 mm通道的水力直径增大，C0值大于3 mm × 6 mm通道，D. Sowenski[6]和Ide[4]使C0值分别为1.27和1.2。

图10所示为实验确定的平均含气率所选值的比较。对于3mm × 3mm通道，Bankoff系数为0.58，对于3mm × 6mm通道，Bankoff系数为0.54。目前的调查结果与阿里的不一致，结果[5]。

结论

根据测试结果，数据分析和研究讨论可以得出以下结论:

1.流型的识别是基于流型的视觉观察，使用视频技术作为本研究中使用的方法。观察到的流动型态可分为三种主要的流动型态:气泡流态、堵塞流态和环形流态。

2.针对3mm × 3mm通道和3mm × 6mm通道提出了新的流型图。

3.应用该模型确定了小通道内气液两相流动的速度和空隙率。提出了一种描述分布参数的关系式。得到了确定两相混合气在小通道内流动时平均含气率的关系式。根据进气体积分数的大小，确定了平均含气率的值。

参考文献

井秀雄，林崎明，深野透，“微通道内气液两相流动的基本数据”，热学学报，Vol. 46, p. 519- 53,2007。
黄刚，姬海峰，王斌，李海清，“基于结构特征序列的微型管道气液两相流流态识别”，浙江大学控制科学与工程系学报，2011。
J. M. Mandhane, G.A . Gregory和K. Aziz，“水平管道中气液流动的流动模式图”，美国机械工程学报，第64卷，第193- 200页，1974。
井井雄，“毛细管矩形通道内气-水两相流动中含率与摩擦压降关系的实验研究”，中国机械工程，29(4)，2005。
李志强，李志强，李志强，双平板间窄通道内绝热两相流动的研究。j .化学。Eng。，71, 657–666, 1993.
索维恩斯基，M. Dziubi’nski, H. Fidos，窄微通道内液气两相流动的速度与气隙分数，Arch。动力机械。，Vol. 61 (1), p. 29–40, 2009.