Экспериментальное исследование газожидкостного течения в микроканалах с различной ориентацией

Козулин, Игорь Анатольевич

Экспериментальное исследование газожидкостного течения в микроканалах с различной ориентацией тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Козулин, Игорь Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Экспериментальное исследование газожидкостного течения в микроканалах с различной ориентацией»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное исследование газожидкостного течения в микроканалах с различной ориентацией"

На правах рукописи

Козулин Игорь Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В МИКРОКАНАЛАХ С РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 май гт

Новосибирск - 2013

005058156

Работа выполнена в ФГБУН Институте теплофизики !им.: С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

Научный руководитель доктор физико-математических наук, зав. лаб.

Кузнецов Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: Пеньковский Валентин Иванович,

доктор физико-математических наук, Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, ведущий научный сотрудник

Чиннов Евгений Александрович, доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт теплофизики им; С.С. Кутателадзе СО РАН, главный научный сотрудник

Ведущая организация: Национальный исследовательский Томский политехнический университет (г; Томск)

Защита состоится "10" апреля 2013 г. в 9 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук при Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН по адресу: 630090, г.-Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1, ИТ СО РАН ■

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН

Автореферат разослан марта 2013 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 630090, Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1, Ученому секретарю совета. Факс:(383)330-84-80

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

В.В. Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наблюдается рост интереса к исследованиям в области капиллярной гидродинамики и теплообмена в микросистемах, вызванный бурным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, энергетике и химической технологии. Например, для охлаждения микроэлектронного оборудования разрабатываются миниатюрные тепловые трубы и микроканальные системы охлаждения с двухфазным теплоносителем. Двухфазные течения в каналах малого сечения используются в мембранных топливных элементах и испарительно-конденсационных системах термостабилизации космических аппаратов. Прикладные аспекты рассматриваемой проблемы связаны с перспективой применения каналов малого и сверхмалого размера для интенсификации тепломассопереноса в компактных энергетических устройствах. При уменьшении поперечного размера канала, отношение поверхности к объему канала увеличивается обратно пропорционально диаметру канала, что обуславливает высокую интенсивность теплообмена в микросистемах. Эффекты масштаба и ламинарная природа течения в микроканале приводит к изменению соотношения вязких, гравитационных, инерционных и капиллярных сил. Известно, что структура газожидкостного течения в земных условиях в значительной степени определяется эффектами гравитации, которые определяют форму межфазной поверхности на капиллярно-гравитационном масштабе. В микроканалах определяющим масштабом является поперечный размер канала, который может быть существенно меньше капиллярно-гравитационного масштаба. Это определяют существенно новые закономерности газожидкостных течений и существующие теоретические подходы к анализу гидродинамики и процессов переноса не могут быть применены для проектирования микроканальных устройств.

В этой связи актуальным является проведение систематических экспериментальных исследований капиллярной гидродинамики газожидкостных течений в микроканалах, а также анализ и построение моделей, учитывающих физические механизмы, влияющие на гидродинамику в каналах малого поперечного размера. Экспериментальное исследование таких течений требует разработки новых методов регистрации параметров течений на микромасштабе. В настоящее время, одним из наиболее распространенных методов регистрации параметров газожидкостного течения в микроканале, является скоростная видеосъемка. Такой метод является достаточно трудоёмким и непредставительным из-за необходимости обработки больших объемов информации. Поэтому необходимым является развитие методов измерения статистических характеристик течений на микромасштабе и проведения на их основе систематических исследований закономерностей газожидкостного течения в каналах с попереч-

ным размером существенно меньше капиллярной постоянной, то есть в таких каналах, в которых влияние капиллярных сил является преобладающим.

Целью работы является развитие методов экспериментального исследования гидродинамики двухфазного газожидкостного течения в микроканале, получение закономерностей режимов течения и определение границ режимов течения, определение потерь на трение для каналов с различной ориентацией относительно вектора силы тяжести. ■ . , : . ; ;.

Научная новизна

1. С помощью метода двулучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки получены основные режимы восходящего и горизонтального адиабатного газожидкостного потока в микроканалах прямоугольного сечения с отношением сторон канала больше 0.3. Установлено, что режим течения в микроканале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной не зависит от ориентации канала относительно вектора силы тяжести и доминирующее влияние на развитие течения оказывают капиллярные силы.

2. Впервые в широком диапазоне размеров микроканала получены комплексные статистические характеристики движения жидкой и газовой фаз, в том числе скоростей движения фаз, длин жидких и газовых перемычек. Показано, что доминирующими режимами течения в микроканале с отношением сторон больше 0.3 являются: течение с жидкими перемычками, стабилизированными капиллярными силами, и кольцевое течение с волнами на короткой стороне канала.

3. Впервые предложено определять границы режимов течения в каналах на основании обработки статистических данных: по зависимости дисперсии, распределения относительного времени перекрытия сечения канала газовой и жидкой фазой и Фурье-спектра сигнала от приведенной скорости газа и жидкости. С использованием этого метода достоверно определены границы режимов течения для микроканалов различного поперечного размера, установлена зависимость границ режимов течения от поперечного размера микроканала.

4. В широком диапазоне изменения поперечного размера канала построены карты режимов течения для горизонтальных и вертикальных микроканалов, определено влияние размера канала на режимы течения и границы режимов течения. Для микроканалов с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной впервые экспериментально обоснован новый метод расчета границы перехода от снарядного режима течения к кольцевому течению.

5. Определены входные условия, которые влияют на формирование газожидкостного течения, в том числе на распределение длин газовых снарядов. Предложена и экспериментально обоснована модель для расчета средней

длины газового снаряда в микроканале. Данная модель хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными и результатами других авторов.

6. С помощью метода LIF установлена форма волн на поверхности пленки жидкости для кольцевого течения, показана связь волн на длинной и короткой стороне канала. Получены спектральные характеристики волн и измерена остаточная толщина пленки жидкости.

7. Измерены потери давления на трение в микроканалах с различной ориентацией относительно вектора силы тяжести. Установлено, что потери давления на трение в канале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной не зависят от ориентации канала и находятся в хорошем согласии с .расчетом по модифицированной модели Kreutzer et al. (2005) при учете капиллярного давления на межфазной поверхности и относительной длины жидких перемычек.

Достоверность результатов подтверждается оценкой величины погрешности измерений, проведением калибровочных экспериментов, сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов, а так же использованием обоснованных методик измерений.

Автор защищает:

• Результаты по экспериментальному определению границ режимов течения в прямоугольных вертикальных и горизонтальных микроканалах с зазором от 200 мкм до 2 мм, полученные при использовании метода лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки.

• Результаты по влиянию поперечного размера микроканала на режим течения и положение границ перехода между режимами течения, карты режимов течения в горизонтальных и вертикальных прямоугольных микроканалах.

• Результаты по определению статистических характеристик движения жидкой и газовой фаз в микроканапах, в том числе скоростей движения фаз, длин жидких и газовых перемычек.

• Результаты по измерению относительного времени перекрытия сечения канала газовой и жидкой фазами, построения Фурье-спектров режимов течения и их использования для определения режима течения.

• Результаты по определению волновой структуры межфазной поверхности в кольцевом режиме течения методом лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF).

• Результаты по определению потерь на трение для однофазного и двухфазного течения в микроканалах горизонтальной и вертикальной ориентации.

Практическая ценность работы связана с установлением закономерностей режима течения и потерь давления на трение в микроканалах при различной ориентации каналов, которые могут быть использованы при обосновании режимов работы технологического оборудования энергетических устройств и микрореакторов химических технологий. Это обуславливает повышение энергоэффективности и надежности оборудования на основе микроканалов, в том числе при использовании микроканалов для интенсификации процессов тепломассообмена. Метод регистрации двухфазного течения с помощью лазерного сканирования потока позволяет получить более полную характеристику течения, в том числе измерить новые параметры, такие как статистические характеристики течения. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и оптимизации компактных теплообменников.

Личный вклад автора заключается в конструировании рабочих участков, создании и отработки методики измерений статистических характеристик газожидкостного течения с помощью метода лазерного сканирования и метода лазерно-индуцированной флуоресценции. Им разработана программа для обработки статистических параметров потока, программа для обработки видеосъемки, получены экспериментальные результаты, проведена их обработка, написаны статьи.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на XVII школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» (г. Жуковский (Москва), 25-29 мая 2009 года); на международной выставке и научном конгрессе «ГЕО-Сибирь V» (г. Новосибирск, 21-23 апреля 2009 г.); на V Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 25-29 октября 2010 г.); на Всероссийской конференции «XXIX Сибирский теплофизический семинар» (г. Новосибирск, 15-17 ноября 2010 г.); на XI Всероссийской школе-конференции молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Новосибирск, 17-19 ноября 2010 г.); на Международной школе по разработке микропроцессов и приложениям нанотехнологий (Новосибирск, 27-28 апреля

2010 г.); на XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (г. Звенигород (Москва) 23-27 мая

2011 г.); на III Всероссийском семинаре «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (г. Новосибирск, 25-27 мая 2011 г.); на X Международной конференции молодых учёных «XXX Сибирский теплофизический семинар "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики"», (Новосибирск, 13-16 июня 2012 г.); на IV Всероссийской конференции «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (г. Новосибирск, 6-8 июня

2012 г); на X Международной научной конференции «Актуальные вопросы те-

плофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Алушта 17-23 сентября 2012), а также на научных семинарах в Институте теплофизики СО РАН.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 156 наименований. Диссертация изложена на 158 страницах, включает 10 таблиц и 102 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и дано краткое описание диссертации по главам.

Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором проводится анализ современного состояния теории и эксперимента по теме диссертации. В разделе 1.1 рассмотрено применение двухфазных течений в микроканалах, в разделе 1.2 приведена классификация труб и каналов по размерам. В разделе 1.3 приведен обзор работ по гидродинамике газожидкостных течений в каналах с поперечным размером порядка миллиметра и меньше, включая работы Damianides et al. (1988), Barajas & Panton (1993), Zhao & Rezkallah (1995) Triplett et. al. (1979), Coleman & Garimella (1999), Kawahara (2002), Чиннова E.A., Абиева Р.Ш., и др. авторов. Отмечено, что одной из уникальных характеристик газожидкостного течения в микроканалах является доминирование снарядного режима течения. В работах Revellín & Thome (2006, 2007) впервые получена карта режимов течения и частота следования пузырьков с помощью двухлучевого лазерного сканирования потока при кипении хладонов R134a и R245fa в одиночных трубках диаметром 0.509 и 0.79 мм. В диссертации эта методика развита и применена для получения статистических характеристик газожидкостного течения в вертикальных и горизонтальных прямоугольных микроканалах. В разделе 1.4 описаны модели для расчёта границ режимов течения, раздел 1.5 посвящён обзору работ по измерению объёмного газосодержания в микроканалах, в разделе 1.6 описаны существующие подходы к определению скорости газовых снарядов. В разделе 1.7 представлен обзор по влиянию организации двухфазного потока на распределение длин газовых и жидких перемычек, в разделе 1.8 представлен обзор работ по измерению потерь давления на трение в однофазном и двухфазном потоке. В разделе 1.9 отмечено, что гидродинамика газожидкостного течения в микроканалах прямоугольного сечения изучена недостаточно полно, проанализированы безразмерные параметры, определяющие закономерности снарядного течения в микроканалах, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава содержит описание экспериментальной установки для исследования двухфазного потока в каналах прямоугольного сечения при различной ориентации, а также методики исследования двухфазного потока.

В разделе 2.1 приведена схема экспериментальной установки для исследования структуры газожидкостного течения в микроканалах для вертикальной и горизонтальной ориентации. Схема экспериментальной установки для исследования течения двухфазного потока в прямоугольных каналах для горизонтального течения приведена на рис. 1. В работе основное внимание было уделено горизонтальной и вертикальной ориентации рабочего участка относительно вектора силы тяжести.

В экспериментальной установке сжатый газ (С02, N2) поступал из баллона (1). Использование азота позволило исключить возможность растворения газа в жидкости, при использовании С02 опыты проводились в условиях насыщения жидкости газом. Расход газа задавался цифровым термо-массовым регулятором расхода газа (3). Вода поступала из бака (2), далее через термо-массовый регулятор расхода жидкости 1Л0>1Л-РЬО\¥ ЬЗО (3) и далее в смеситель (4), расположенный перед экспериментальным участком (5). Смеситель представлял собой камеру, в которой организовывался двухфазный поток. В работе исследовалось три вида входных камер, форма которых была оговорена ниже. Экспериментальный участок представлял собой прямоугольные стеклянные каналы, по которому распространялось течение. Гидравлический диаметр каналов варьировался от 274 мкм до 2.4 мм и был меньше капиллярной постоянной воды 6С=2.72 мм. На выходе из экспериментального участка газожидкостная смесь откачивалась перистальтическим насосом (9) в открытый бак с водой, при этом газ уходил в атмосферу, а насыщенная газом вода возвращалась в экспериментальный участок.

Для исследования режимов газожидкостного течения использовался метод двойного лазерного сканирования. В данном методе два лазера (7) располагались так, что лазерные лучи освещали короткую сторону прямоугольного канала с диаметром светового пятна порядка размера канала. Расстояние между лучами варьировалось от 10 до 50 мм. Фокусировка лазерного света осуществлялось с помощью линзы, которая располагалась между лазером и стеклянным каналом. Питание лазеров осуществлялось с помощью источника напряжения ТЕС-42 (8). Интенсивность прошедшего света измерялась с помощью фотодиодов (6), расположенных на противоположной стороне канала. Сигналы с фотодиодов регистрировались с помощью высокоскоростной платы АЦП (Ьсагс! Ь-264), и обрабатывались на компьютере (11). Запись оптических сигналов с фотодиодов (6) производилась

Л«/

N2 „

Е>|з

1 1

ж«-

110

Рис. 1. Схема экспериментального стенда для моделирования горизонтального газожидкостного течения.

в тёмной комнате для исключения шума от ламп накаливания и дневного света. Оцифровка сигнала осуществлялась с частотой от 2 до 10 кГц. С лицевой стороны канала проводилась, визуализация течения при помощи цифровых видеокамер (WebCam Pro Ex, AOS X-Pri, цифрового фотоаппарата OLIMPUS).

В разделе 2.2 описана методика изготовления микроканалов, которые собирались из стеклянных пластин, плотно прижатых друг к другу. В таблице 1 приведены характеристики исследуемых каналов.

В разделе 2.3 приведено описание двухлучевого лазерного сканирования. Метод основан на сканировании двухфазного потока лазерными пучками на двух расстояниях от входа в канал. Интенсивность лазерных пучков, прошедших через канал, определялась фотодиодами, расположенными на противоположной стороне микроканала, и соответствовала прохождению жидкой или газовой фазы. Проведена динамическая и статическая калибровка лазерной системы, определена погрешность измерения длин газовых и жидких перемычек, и скорости их движения: Длительность фронта нарастания и убывания оптического сигнала определяет погрешность, с которой определяются длины газовых и жидких перемычек, и погрешность определения их длины не превышает 140-И60 мкм для приведённых скоростей смеси Jm=0.10-Ю.35 м/с.

В разделе 2.4 описан метод лазерной индуцированной флуоресценции (LIF) для измерения локальной толщины плёнки жидкости. Метод обеспечивает высокое пространственное разрешение без внесения гидродинамических возмущений в поток. При измерении методом LIF в жидкость был добавлен флуоресцентный краситель Родамин 6Ж, выбранное сечение освещено лазерным ножом и эмитированный красителем свет регистрировался цифровой камерой со светофильтром.

В разделе 2.5 описана организация двухфазного газожидкостного течения

Таблица 1 Характеристики исследуемых каналов.

Размер канала, мм Длина канала, мм Двухфазный поток Ориентация Организация входа АР

0.217x0.370 300 h2O/N2 Горизонт, (ребро) Т-образ. Да

0.67x2.00 500 h2o/n2 Верт. А-образ. Да

0.72x1.50 500 h2o/n2 Верт., горизонт., горизонт, (ребро) Д-образ., Т-образ. внешний Да

1.78x3.75 700 н2о/со. Верт. Внеш. Т-образ. Нет

в каналах и ориентация каналов. В микроканале с сечением 217x370 мкм2 получены закономерности горизонтального течения. В микроканалах 0.67x2.00 мм2 и 0.72x1.50 мм2 изучено как горизонтальное, так и вертикальное течение для определения влияния ориентации на режимы течения. Проведено исследование восходящего течения в миниканале с размерами 1.78x3.75 мм2.

Представлена организация течения в исследуемых прямоугольных каналах. Для исследования влияния входных условий на режим течения использо-

0.15Ау 0.12 0.09 0.06 0.03 0.00

50 1, тя

75 100

(а) 0.15 0.12 0.09 0.06 0.03 0.00

А. V

400 450 500 550

I, те

(б) 0.15 0.12 0.09 0.06 0.03 0.00

(в)

Рис. 2. Оптический сигнал и визуализация доминирующих режимов течения: (а) удлиненные пузыри - снаряды (11Ц=0.052 м/с, ^=0.083 м/с); (б) пере-

А, V

чАЛ

А.

100

1. пи

150 200

вались три модификации входного смесителя жидкости и газа. Первый смеситель представлял собой внутренний Т-образный вход, он использовался в канале 217x370 мкм2. Второй смеситель представлял собой внешний Т-образный вход, когда газожидкостное течение формировалось вне канала с помощью Т-образного тройника с диаметром трубок 3 мм. Третий смеситель представлял собой А-образную камеру, в которой происходит смешивание газа и жидкости. Варьирование входных условий, гидравлического диаметра каналов и ориентации позволило изучить влияние этих параметров на структуру и режимы газожидкостного течения.

В разделе 2.6 представлены погрешности измерений: расхода жидкости и газа, перепада давления, а также погрешность определения размеров каналов.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию влияния поперечного размера канала на закономерности газожидкостного течения в горизонтальном микроканале. В разделе 3.1 представлены закономерности газожидкостного течения в горизонтальном микроканале 217x350 мкм2 с попереч-

ходное течение (1|ц=0.055м/с, .^=0.627 м/с); (в) кольцевое течение с крупными волнами (ЛНс|=0.052м/с, ^=4.152 м/с).

ным размером, существенно меньше капиллярной постоянной. Газожидкостное течение в таком канале характеризуется малыми числами Вебера и доминирующими режимами течения являются: течение с жидкими перемычками, стабилизированными капиллярными силами, и кольцевое течение с волнами на короткой стороне канала. С помощью двулучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки, установлены основные режимы течения, показанные на рис. 2 (а)-(в). Это периодическое течение удлиненных пузырей-снарядов (рис. 2а), переходное течение с хаотическим чередованием газовых снарядов и жидких пробок (рис. 26), и кольцевое течение с волнами преимущественно на короткой стороне канала в области межфазного мениска (рис. 2в).

0,20-, 0,160,120,08 0,04-| 0,00

Ж! СИаппе! 1 теап^О.28

а=0,0032

1-4 д ЕВ

•) 2 4 # -

ОА\Л/

в а- -

¡0.8 £0.6 0.4 0.2

(9 о

0,22

0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 м/с

0,34

0.01

10 100

0.1 1

Лдав, м/с

Рис. 3. Вероятность попадания скорости Рис. 4. Дисперсия сигнала в диапазоне снаряда в интервал гистограммы: 0.04<УМ(5<0.06 м/с, х,^ = 512. .(,¡„=0.036 м/с, 1^=0.212 м/с.

Хаотическое чередование пробок возникает при числах Вебера больше единицы, и когда длина жидкой пробки становится сравнимой с шириной длинной стороны канала IV, что связано с разрушением жидких пробок и переносом жидкости между жидкими снарядами через волновую пленку. Здесь число Вебера = р^^/а определенно по приведенной скорости смеси

С помощью метода двухлучевого лазерного сканирования получены статистические характеристики удлиненных пузырей-снарядов в микроканале на двух расстояниях от входа при х,/Оь = 512 и х2/0|, = 531. Распределения длин снарядов, жидких перемычек и скоростей снарядов на этих расстояниях практически совпадают, что показывает стабилизацию течения. Пример вероятность попадания скорости снаряда в интервал гистограммы для периодического течения удлиненных пузырей-снарядов показан на рис. 3. Скорость снарядов аппроксимировалась нормальным распределением с плотностью вероятности, вида:

и-и.

а\1ъг ^ _ л/2сг ^ ^

Обработка данных показала, что средняя скорость снаряда не зависит от величины капиллярного числа = и может быть представлена в виде

иь=С0^т, где параметр распределения С0 равен 1.07.

Определено значение дисперсии сигнала и Фурье спектр для каждого режима течения. На рис. 4 приведена дисперсия сигнала в зависимости от ,18а5 в диапазоне приведённых скоростей жидкости 0.04 < Jliq <0.06 м/с, где ЕВ - точки, соответствующие течению с удлиненными пузырями-снарядами, Т - переходному течению, А\У - кольцевому течению с крупными волнами; А - кольцевому течению. Видно, что для течения с удлиненными пузырями-снарядами

дисперсия распределений не превы- . ,

шает 0.2. Переходному течению соот- 1 църчг - г.- - т-----1----

ветствуют значения дисперсии в ин- ;

тервале от 0.3 до 1. Для кольцевого 0.8 г 5 - — - -\-ф - -

течения с крупными волнами диспер- год , • ^

сия вначале возрастает, а затем падает ^ 0.6----— {— г —

при переходе к кольцевому течению с "3 д| ' § <> мелкими волнами. 2 0.4-----^-------------

Определена зависимость относи- г ^ ! о> '

тельного времени перекрытия сечения 0.2 ----¡-^Л^г -___

канала фазами (время жизни) от при- I | ¿ж!^^) ,'%

веденных скоростей жидкости и газа. о ■ -. п.:.........! . ,,.

Время жизни определялось из отно- 0.01 0.1 1 10 100 шения времени прохождения газовых ^ав, м/с

и жидких перемычек к общему вре- Рис. 5 Зависимость относительного време-мени записи сигнала для различного ни жизни перемычек жидкости и газа при уровня порога его обрезания. На м/с<(ца<0.06 м/с. рис. 5 приведено относительное время жизни газовой фазы (тёмные точки) и жидкости (светлые точки) в зависимости от скорости газа, измеренные при уровне порога 30% от амплитуды. Приведенная скорость жидкости изменялась в диапазоне от 0.04 до 0.06 м/с. Как видно, режим течения удлиненных пузырей-снарядов плавно переходит в область переходного течения, который также является снарядным течением (течением с жидкими перемычками), но непериодическим. Поэтому для выделения границы перехода между этими режимами было использовано изменение величины дисперсии и Фурье спектра сигнала. Идентификация кольцевого режима с волнами происходит достаточно точно. При пороге сигнала на уровне 30%, с увеличением скорости газа, из-за волнового течения, время жизни жидкости в кольцевом течении возрастает, а газа - убывает. При уровне порога 90%, происходит увеличение времени жизни для газа и уменьшение для жидкости. Это объясняется тем, что в кольцевом режиме течения всплески в сигнале соответствуют поверхностным волнам.

Проведенный анализ статистических характеристик режимов течения позволил точно идентифицировать границы режимов течений и построить их карту. На рис. 6 приведена карта режимов течения для микроканала 217x370 мкм2. Тонкими линиями на карте показан расчет границ режимов по модифицированной модели ¡УЛвЫта & Ыш (1984). Модификация модели заключалась в отсутствии свободного всплытия снарядов при числах Бонда много меньше единицы, и предположении прямого перехода от снарядного к кольцевому режиму течения. Видно, что модель М1зЫта & ЬЬп (1984) плохо предсказывает границы режимов течения в микроканале. Жирной сплошной линией ЕВ/А\¥ на рис. 6 показан расчет по принципиально другой модели перехода от снарядного течения к кольцевому течению, предложенной Кузнецовым В.В.

0.1

0.01 0.01

100

Рис. 6. Сравнение режимов течения в горизонтальном микроканале 217x370 мкм: с расчетами по модифицированной модели Гу^Ыта & ЬЬп (1984) и Кузнецова (2012).

(2012). Эта модель основана на предположении, что переход к кольцевому течению возникает, если касательное напряжение на межфазной поверхности достаточно велико для перемещения всей поступающей в микроканал жидкости вниз по потоку. Это условие может быть представлено в эквивалентной форме как условие равенства толщины пленки в снарядном режиме течения за жидкой перемычкой толщине пленки при кольцевом течении. Толщина плёнки за жидкой перемычкой определялась по закону Тейлора. Толщина плёнки для кольцевого течения определялась согласно АбэИ & Напгайу (1985). Из рис. 6 видно, что

эта модель более точно предсказывает границу кольцевого течения, чем модель \1ishima & ЬЬн (1984), и может быть рекомендована для определения режима течения в микроканале, когда капиллярные силы являются доминирующими.

В разделе 3.1.6 представлены результаты скоростной видеосъемки процесса смешения жидкости и газа на входе, и предложен метод расчета длины газового снаряда в микроканале с Т-образным смесителем. Экспериментально показано, что формирование периодических удлиненных пузырей-снарядов в микроканале связано с капиллярными явлениями на входе в канал и формированием осциллирующего затвора для газовой фазы. Основные этапы формирования газожидкостного течения в Т-образном входе показаны на рис. 7. Увеличение давления в газовом канале приводит

1 !

к.

и с Я-«'

\ 1*-а

ч /

(а)

(б)

(в)

Рис. 7. Динамика изменения и формирования газовых и жидких перемычек в Т-образном смесителе.

к вытеснению жидкости - рис. 7 (а) и блокированию поступления жидкости в микроканал - рис. 7 (б). Газ поступает в микроканал до тех пор, пока растущий мениск не перекроет его сечение, как показано на рис. 7 (в). Предельный радиус кривизны мениска в микроканале определяется геометрией канала следующим образом:

/? / УУ = (1 + а / \У) + тДаТы . (2)

Объём жидкости, который должен быть введён, для перемещения мениска из положения рис. 7 (б) до положения, соответствующего рис. 7 (в), равен:

(3)

где Ь - глубина канала, v|/(Wegas) - функциональный параметр, учитывающий влияние скорости газа на кривизну мениска, Wegas - 4исло Вебера, определённое через приведённую скорость газа и капиллярное давление на межфазной поверхности. Для объёма газа, внедренного в канал до его перекрытия жидкостью, получим следующее выражение:

vga« = t^j^vb =

J b '" '

j н.

(4)

'"» .

Объём газа в канале можно также определить, задавая длину газового снаряда Ьь и объемное содержание газа в снаряде ф8:

уат = (А - , (5)

Приравнивая объёмы газа в (4) и (5) получим:

ч 2

L= w

1+ J*m

Jnq<Ps

- {\-xhyniwe-)

(6)

Таким образом, длина газового снаряда зависит от отношения приведённых скоростей газа и жидкости, геометрии входного смесителя и вида функциональной зависимости У|/0(Ше8а5). Зависимость ^(ХУе^) была определена экспериментально по данным лазерного

%(Wegas)

•

1 • 4/0(Wegas)=0.16(Wegas)-0-23 üb ! ' Ив* -i '

¿^з ^ t Г I I

0.002 0.004

We„

0.006

-gas

Рис. 8. Сравнение функциональной зависимости v|/o(Wegas), полученной в данной работе, и по данным работ Choi &Yu (2011), Sobieszuk et. al. (2010).

сканирования и видеосъемки. На рис. 8 приведена зависимость от числа Вебера Wegas, полученная в данной работе, и по данным работ Choi &Yu (2011), Sobieszuk et. al. (2010). С учетом полученной функциональной зависимости v|/0(Wegas), построенная модель позволяет определить длину газового снаряда с погрешностью не более ±10%.

В разделе 3.1.7 предложен и экспериментально обоснован метод изменения длины газового снаряда и жидкой перемычки в микроканале до 10 раз при изменении конструкции входного смесителя.

В разделе 3.1.8 представлено измерение потерь давления на трение для однофазного и двухфазного

течения в микроканале

217x370 мкм2. Перепад давления измерялся на базе 200 мм, число Пуазейля для микроканала равно 15.08. На рис.9 представлена зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса смеси, определенного по модели Dukler et al. (1964) для однофазного и двухфазного течения в ламинарной области. Из рисунка видно, что экспериментальные данные для двухфазного течения лежат существенно выше расчета по гомогенной модели Dukler et. al. (1964), тогда как для однофазного течения экспериментальные данные соответствуют расчету по модели Garcia et. al. (2003). При больших числах Рейнольдса в области кольцевого течения экспериментальные данные стремятся к расчёту по гомогенной модели. Проведено сравнение данных по потерям давления на трение с расчетами на основе работ: Lockhart & Martineiii (1949), Beattie & Whalley (1982), Kreutzer et al. (2005). Модель Kreutzer et al. (2005) была модифицирована для прямоугольного канала по методике работы Fuerstman et al. (2007). Модификация заключалось в использовании числа Пуазейля для прямоугольного канала и расчете капиллярного давления в таком канале. Расчеты по модифицированной модели, которые были проведены с использованием измеренной относительной длины газового снаряда, показаны жирными точками на рис. 9, и с погрешностью не более ±20% соответствуют экспериментальным данным. Это говорит о том, что в микроканале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной капиллярные силы и относительная длина газового снаряда в значительной степени определяют потери давление на трение.

В разделе 3.2 представлены результаты исследования закономерностей газожидкостного течения в горизонтальном микроканале 0.72x1.50 мм2. В таком канале один из поперечных размеров остается много меньше, а другой сравним с величиной капиллярной постоянной для воды. Организация двухфазного течения в микроканале осуществлялась с помощью Д-образной камеры и внешнего Т-образного входа. Снарядное течение в таком канале характеризуется числами Вебера как меньше, так и больше единицы, и капиллярные силы, наравне с силами инерции, определяют форму межфазной поверхности. Установлено, что доминирующими режимами течения являются: течение с жидкими перемычками, стабилизированными капиллярными силами, и кольцевое те-

0.01

1000

Рис. 9. Коэффициент сопротивления для однофазного и двухфазного течения в микроканале 217x370 мкм".

0.01

100

Рис. 10. Карта режима течения для горизонтального микроканала 1.50x0.72 мм2. Границы режимов течения рассчитаны по модифицированной модели МшЫта & 18111! (1984) и модели Кузнецова (2012).

чение с волнами на короткой стороне канала. Это периодическое течение снарядов, переходное течение с хаотическим чередованием газовых снарядов и жидких пробок, и кольцевое течение с волнами преимущественно на короткой стороне канала в области межфазного мениска.

На основе лазерного сканирования установлены статистические характеристики движения жидкой и газовой фазы, для каждого режима течения определено значение дисперсии оптического сигнала и его Фурье спектр. Отмечено, что при периодическом течении удлиненных пузырей-снарядов дисперсия распределений, как и в микроканале 217x370 мкм2, не превышает 0.3. Переходному течению соответствуют значения дисперсии в интервале от 0.3 до 1. Для кольцевого течения с волнами преимущественно на короткой стороне канала дисперсия вначале возрастает, а затем падает, как и для микроканала 217x370 мкм2.

Установлены статистические характеристики движения удлиненных пузырей-снарядов на двух расстояниях от входа при х]/01, = 174 и х2/Оь = 184. Распределения длин газовых снарядов, жидких перемычек и скоростей снарядов на этих расстояниях практически совпадают, что показывает стабилизацию течения. Приведены данные по зависимости средней скорости снаряда от приведённой скорости смеси Обработка данных показала, что средняя скорость снаряда может быть представлена в виде ц = со ■ , где среднее значение параметра распределения равно С0 = 1.28. Величина параметра распределения изменяется от С0 = 1.17 для капиллярных чисел меньше 0.01 до С0= 1.36 при капиллярном числе, равном 0.02, когда число Вебера становится больше единицы и инерционные силы определяют форму снаряда.

Получены экспериментальные данные по зависимости относительного времени перекрытия сечения канала газовой и жидкой фазами (время жизни) от приведенных скоростей жидкости и газа, которые подобны данным, представленным на рис. 5. На основании статистических параметров течения, данных по времени жизни жидкой и газовой фаз, Фурье спектра оптического сигнала и визуализации течения построена карта режимов, показанная на рис. 10.

Проведено сравнение границ режимов течений с расчетом по моделями Akbar & Plummer (2003), модифицированной моделью Mishima & Ishii (1984), моделью Taitel & Dukler (1976) и моделью B.B. Кузнецова (2012). Тонкими линиями на рис. 10 показаны расчеты границ режимов течения по модифицированной модели Mishima & Ishii (1984), и жирной сплошной линией EB/AW расчет по модели Кузнецова (2012). Видно, что обе модели в области чисел Вебера больше единицы дают близкие результаты и хорошо предсказывают Рис. ] 1. Коэффициент сопротивления в переход от снарядного к кольцевому горизонтальном микроканале 0.72x1.50 мм2, течению.

Экспериментально измерены потери давления на трение для однофазного течения газа и жидкости, и двухфазного течения. Проведено сравнение экспериментальных данных с расчетом по гомогенной модели Dukler et al. (1964). На рис. 11 представлена зависимость коэффициента сопротивления /от числа Рейнольдса смеси для однофазного течения жидкости и газа, и двухфазного газожидкостного течения. В случае однофазного течения, экспериментальные данные хорошо согласуются расчётом по известным соотношениям для ламинарного и турбулентного течения. Ламинарно-турбулентный переход для газа в микроканале происходил при числе Рейнольдса Re = 2200. В случае двухфазного течения результаты расчета по гомогенной модели хорошо согласуются с экспериментальными данными при Re < 300. При Re > 300, и в области лами-нарно-турбулентного перехода, экспериментальные данные лежат выше расчета, что связано с известной турбулизацией течения дисперсной фазой. Сравнение экспериментальных данных с расчетом по моделям Beattie & Whalley (1982), Mishima & Hibiki (1996), Lockhart & Martinelli (1949) показало их значительное несоответствие.

В разделе 3.3 представлено обсуждение результатов, полученных для горизонтальных микроканалов.

Четвертая глава посвящена изучению влияния ориентации канала относительно вектора силы тяжести. В ней представлены закономерности газожидкостного течения в вертикальных микроканалах.

В разделе 4.1 представлены результаты исследования газожидкостного течения в вертикальных каналах 0.72x1.50 мм2 и 0.67x2.00 мм2. Организация двухфазного течения в канале осуществлялось с помощью А-образной камеры.

0.01

100 1000 10000 Rem

Установлено, что доминирующими режимами • течения в вертикальном микроканале являются: течение с жидкими перемычками, стабилизированными капиллярными силами, и кольцевое течение с волнами на короткой стороне канала. Эти режимы совпадают с режимами, представленными ранее для горизонтального микроканала соответствующего размера. Фотографии режимов

восходящего течения приведены на рис, 12.

Определены статистические характеристики движения жидкой и газовой фазы, построены гистограммы распределений длин снарядов и жидких перемычек, скоростей снарядов. Обработка данных что средняя скорость снаряда может быть представлена в виде + 0.001, где среднее значение параметра распределения в канале

шш

в)

Рис. 12. Визуализация восходящего течения в канале с размерами 0.72x1.50 мм2: а) снарядный режим, б) переходное течение, в) кольцевое течение.

показала,

0.67x2.00 мм" равно С0= 1.26, что согласуется с экспериментальными работами других авторов и представленными ранее результатами для горизонтального канала. Определена дисперсия оптического сигнала, относительное время жизни газовых и жидких перемычек, Фурье спектр. На основе статистических характеристик и визуализации течения, по изложенной ранее методике, в каналах 0.72x1.50 мм2 и 0.67x2.00 мм2 выделены следующие режимы течения: режим течения с удлиненными пузырями снарядами (ЕВ), переходный режим (Т)

и кольцевой режим с волнами (А\¥). Области существования этих режимов представлены на рис. 13. Тонкими линиями на рис. 13 показаны расчеты границ режимов течения по модифицированной модели [УНвЫта & ЬЬп (1984), и жирной сплошной линией ЕВ/АШ показан расчет по модели Кузнецова (2012). Видно, что обе модели в области чисел Ве-бера больше единицы, дают близкие результаты, и хорошо предсказывают переход от снарядного к кольцевому течению.

Сравнение карт режимов для горизонтального (рис. 10) и вертикального (рис. 13) каналов показывает, что для микроканала с

0.01 0.01

100

0.1 1

]даз. М/С

Рис. 13 Карты режимов течения в вертикальном микроканале 1.50x0.72 мм2. Линии показывают расчет по модифицированной модели Г^Ыта & 1зЬй (1984) и модели Кузнецова (2012).

поперечным размером меньше капиллярной постоянной влияние гравитации на режим течения не наблюдается.

Для микроканала с поперечным сечением 0.72x1.50 мм2 методом лазерно-индуцированной флуоресценции (ЫР) получены экспериментальные данные по динамике локальной толщины плёнки в кольцевом течении с крупными волнами. Установлена форма волн на поверхности пленки жидкости на длинной стороне канала и показана их связь с волнами на короткой стороне канала. Получены спектральные характеристики волн и измерена остаточная толщина пленки жидкости. Установлено, что остаточная толщина пленки составляет от 70 до 100 мкм. Расчеты толщины пленки по модели АваП & Напгайу (1985) показывают, что остаточная толщина жидкой пленки составляет 75 мкм, что согласуется с экспериментальными данными.

В разделе 4.1.7 представлены данные по потерям давления на трение в микроканалах 1.50x0.72 мм2 и 0.67x2.00 мм2. Проведено сравнение экспериментальных данных с расчетом по гомогенной модели Оик1ег е1 а1. (1964). На рис. 14 представлена зависимость коэффициента сопротивления / от числа Рейнольдса смеси, определенного по гомогенной модели Оик1ег е! а1. (1964), для однофазного течения жидкости и газа, и двухфазного газожидкостного течения в вертикальном микроканале 0.72x1.50 мм2. В случае однофазного течения, экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчёта по известным соотношениям. В случае двухфазного ламинарного течения, результаты расчёта по гомогенной модели согласуются с экспериментальными данными для Яе < 800, что соответствуют снарядному и переходному течению. При 11е>800, и в области ламинарно-турбулентного перехода, экспериментальные данные лежат существенно выше расчета, подобно данным для горизонтального канала, рис. 11. Сравнение экспериментальных данных с расчетом по моделям ВеаШе & \Vhalley (1982), ¡МвЫта & Н1Ы1а (1996), ЬоскЬай & Маг1:те1Н (1949) показало их значительное несоответствие.

В разделе 4.3 представлены закономерности газожидкостного течения в вертикальном канале 1.78x3.75 мм2 и длиной 700 мм с внешним Т-образным входом. Поперечный размер такого канала несколько превышает капиллярную постоянную для воды, и такой канал можно отнести к миника-налу. В качестве газовой фазы исполь-Рис. 14 Коэффициент сопротивления в вер- зован углекислый газ. Расход фаз из-•гикальном микроканале 0.72x1.50 мм2. менялся в диапазоне приведённых

0.01 0.01

100

м/с

Рис. 15. Карта режимов течения для миниканала 1.75x3.80 мм2. Границы построены по модели ¡УПзЫта & 1зЫ! (1984).

скоростей газа 0.07-Н0 м/с и жидкости 0.07-Ю.64 м/с, что соответствовало числам Вебера существенно больше единицы.

Режимы течения определялись по данным визуализации и характеру сигнала с фотоприемника. Выделены следующие режимы течения: снарядно-пузырьковый, снарядный, переходный и кольцевой. Карта режимов течения представлена на рис. 15. Проведено сравнение границ режимов течения с расчетом по моделям, предложенным в работах Сорокина & Кутателадзе (1946), Akbar & Plummer (2003) и Mishima & Ishii (1984). Расчеты по модифицированной модели Mishima & Ishii (1984), показанные на рис. 15 тонкими линиями, хорошо соответствуют наблюдаемым границам режимов течения в миниканале.

На основе данных двухлучевого лазерного сканирования установлены статистические характеристики движения жидкой и газовой фазы в миниканале. Построены гистограммы распределений длин снарядов и жидких перемычек, скоростей снарядов, определены средние величины и дисперсии для первого и второго оптических каналов. Параметры функции распределения определялись из условия соответствия функции распределения экспериментальным данным. Для оценки согласия данных с логнормальным распределением был использован критерий согласия Пирсона (критерий yj). Обработка данных по скорости снарядов для снарядного и переходного режимов течения в виде ub=c- jm + uf" показала, что параметр распределения с= 1.58. Скорость свободного всплытия снаряда u('" была рассчитана по Clanet С. et al. (2004).

В разделе 4.4 приведено обсуждение полученных результатов.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. С помощью метода двулучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки установлены основные режимы восходящего и горизонтального газожидкостного течения в микроканалах прямоугольного сечения с отношением сторон канала больше 0.3. Установлено, что режим течения в микроканале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной не зависит от ориентации канала относительно

вектора силы тяжести и доминирующее влияние на развитие течения оказывают капиллярные силы.

2. Впервые в широком > диапазоне размеров микроканала получены комплексные статистические характеристики движения жидкой и газовой фаз, в том числе скоростей движения фаз, длин жидких и газовых перемычек. Установлено,, что доминирующими режимами течения в прямоугольном микроканале с отношением сторон канала больше 0.3 являются: течение с жидкими, перемычками, стабилизированными капиллярными силами, и кольцевое течение с волнами на короткой стороне канала.

3. Впервые предложено определять границы режимов течения в каналах на основании обработки статистических данных. По изменению дисперсии, распределении относительно времени перекрытия сечения канала газовой и жидкой фазами и Фурье- спектра сигналов достоверно определены границы режимов течения. С использованием этого метода достоверно определены границы режимов течения для микроканалов различного поперечного размера и установлена зависимость границ режимов течения от поперечного размера микроканала.

4. Определены входные условия, которые влияют на формирование газожидкостного течения, в том числе на распределение длин газовых снарядов. Предложена и экспериментально обоснована модель для расчета средней длины газовой перемычки в микроканале. Данная модель хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными и результатами других авторов.

5. В широком диапазоне изменения поперечного размера канала построены карты режимов течения для горизонтальных и вертикальных микроканалов. Определено влияние размера канала на режим течения и границы режимов течения. Для микроканалов с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной впервые экспериментально обоснован новый метод расчета границы перехода от снарядного к кольцевому режиму течения.

7. Измерены потери давления на трение в микроканалах с различной ориентацией относительно вектора силы тяжести. Установлено, что потери давления на трение в канале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной не зависят от ориентации канала и находятся в хорошем согласии с расчетом по модифицированной модели Kreutzer et al. (2005) при учете капиллярного давления на межфазной поверхности и относительной длины жидких перемычек.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Статистические характеристики двухфазного потока в вертикальном миниканале // Теплофизика и Аэромеханика. -2010.— Т. 17, №1, —С. 101-108 (из перечня ВАК).

2. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Статистические характеристики двухфазного газожидкостного потока в вертикальном микроканале // Прикладная механика и техническая физика. - 2011. - Т. 52 (6). - С. 129-139 (из перечня ВАК).

3. Kuznetsov V. V., Shamirzaev A. S., Kozulin I. A., Kozlov S. P. Correlation of the flow pattern and flow boiling heat transfer in microchannels // Heat Transfer Engineering. - 2013. - T. 34 (2-3). - C. 1-11 (из перечня ВАК).

4. Kuznetsov V. V., Shamirzaev A. S., Kozulin I. A. Correlation of the flow pattern and refrigerant flow boiling heat transfer in microchannel heat sink // Journal of Physics: Conf. Ser.-2012.-V. 395 (1).-012093.

5. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Экспериментальное исследование формирования газожидкостного течения и его структуры в прямоугольном микроканале с Т-образным входом // Сборник научных статей «Современная наука». -2012-Т. 2 (10).-С. 123-127.

6. Козулин И. А. Режимы газожидкостного течения в узком прямоугольном мини-канале. // XVII школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева, «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях». - 2009. - Т.2. - С. 326-329.

7. Козулин И. А., Кузнецов В.В. Структура газожидкостного течения в вертикальном микроканале // ГЕО-Сибирь, V Международная выставка и научный конгресс. - 2009. - Т. 5, ч. 1. - С.190-195.

8. Igor A. Kozulin, Vladimir V. Kuznetsov. Structure of two-phase flow in mini-and micro channel // Proceedings of International Workshop on «Micro process engineering and nanotechnology applications». - 27-28 April 2010, Novosibirsk. -P. 103-111.

9. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Структура газожидкостного течения в прямоугольных мини- и микроканалах// ГЕО-Сибирь, V Международная выставка и научный конгресс. - 2010. - Т. 5, ч. 2. - С.70-75.

10. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Характеристики восходящего газожидкостного течения в прямоугольном мини- и микроканале // Труды V Российской национальной конференции по теплообмену. - 2010. - Т. 5. -С. 76-79.

11. Козулин И. А, Кузнецов В. В. Экспериментальное исследование восходящего двухфазного течения в прямоугольном канале // Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции «XXIX Сибирский теплофизический семинар». - 15-17 ноября 2010, Новосибирск. - С. 108-109.

12. Козулин И.А. Исследование двухфазного течения в вертикальном и горизонтальном прямоугольном микроканале // Тезисы докладов XI Всероссийской

школы-конференции'молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск. - 2010. - С. 48.

13. Козулин И. А., Кузнецов В. В., Шамирзаев А. С. Режимы течения и теплоотдача при кипении в микроканалах различной ориентации // «ГЕО-Сибирь-2011» VII Международная выставка и научный конгресс. - 2011. - Т. 5, ч. 2. -С. 132-137.

14. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Структура газожидкостного потока в вертикальном и горизонтальном микроканале // Тезисы докладов. XVIII школа-семинар молодых учёнь1х и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева. - 2011. - С.181-182.

15. Козулин И. А. Кузнецов В. В. Исследование структуры газожидкостного течения в прямоугольном мйкроканале // Тезисы докладов III Всероссийского семинара «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий», 25-27 мая 2011, Новосибирск. - С. 77-78.

16. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Капиллярная гидродинамика газожидкостных течений в микроканалах // IV Международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», 18-20 октября 2011, Москва.

17. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Гидродинамика газожидкостного течения в микроканале прямоугольного сечения с Т-образным входом // Тезисы докладов X Международной конференции молодых учёных «XXX Сибирский теплофи-зический семинар "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики"», 13-16 июня 2012 г., Новосибирск. - С.62.

18. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Экспериментальное исследование двухфазного течения в прямоугольном микроканале // Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь, г. Новосибирск 17-19 апреля 2012 г. - Т.2. -С. 48-53.

19. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Экспериментальное исследование двухфазного газожидкостного течения в микроканале с Т-образным смесителем // IV Всероссийская конференция «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий», 6-8 июня 2012 г. Вып. 4. - С. 204-209.

Подписано в печать 04.03.2013. Формат 60x84/16 Объем 1 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 9 Новосибирск, 90. пр. Ак. Лаврентьева, 1 Институт теплофизики СО РАН

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Козулин, Игорь Анатольевич, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ ИМ. С. С. КУТАТЕЛАДЗЕ

Козулин Игорь Анатольевич

со ю ю

со

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В МИКРОКАНАЛАХ С РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ

Специальность 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Научный руководитель:

О доктор физико-математических наук

ц1) Кузнецов В.В.

О о

см 2:

Новосибирск - 2013

Содержание

Принятые обозначения 4

Введение 7

Глава 1. Обзор исследований по режимам и структуре газожидкостного

течения в микроканалах 13

1.1. Применение двухфазных течений в микроканалах 13

1.2. Классификация труб и каналов по размерам 13

1.3. Режимы газожндкостного течения в каналах малого размера 16

1.4. Модели для расчета границ режимов течения в микроканалах 28

1.4.1. Снарядный режим течения.........................................................................29

1.4.2. Вспененный режим течения.......................................................................30

1.4.3. Кольцевой режим течения..........................................................................31

1.5. Объемное газосодержание 34

1.6. Скорость газовых снарядов 36

1.7. Влияние организации двухфазного потока на распределение длин газовых и жидких перемычек 39

1.8. Перепад давления 42

1.8.1. Перепад давления в однофазном потоке..................................................42

1.8.2. Перепад давления в двухфазном потоке...................................................45

1.9. Выводы, постановка задач исследования 53 Глава 2. Экспериментальная установка и методика измерений 57

2.1. Схема экспериментальной установки для исследования структуры двухфазного потока в мини- и микроканалах 57

2.2. Методика изготовления мпкроканалов 60

2.3. Метод двулучевого лазерного сканирования 64

2.4. Метод лазерно-индуцированноп флуоресценции (ЫБ1) 67

2.5. Организация двухфазного газожидкостного течения 73

2.6. Оценка погрешностей измерений 77 Глава 3. Экспериментальное исследование структуры течения в

горизонтальном прямоугольном микроканале 80

3.1. Экспериментальное исследование структуры течення в горизонтальном прямоугольном микроканале с размером существенно меньше капиллярной постоянной 80

3.1.1. Режимы газожидкостного течения............................................................80

3.1.2. Зависимость скорости снаряда от приведенной скорости смеси...........82

3.1.3. Статистическая обработка экспериментальных данных.........................83

3.1.4. Фурье-спектр режимов течения.................................................................88

3.1.5. Карта режимов течения..............................................................................89

3.1.6. Длина газовой и жидкой перемычки, влияние камеры смешивания на структуру газожидкостного течения.........................................................92

3.1.7. Возможность управления длиной газовой и жидкой перемычки........100

3.1.8. Перепад давления......................................................................................100

3.2. Экспериментальное исследование структуры течення в горизонтальном прямоугольном микроканале с размером меньше капиллярной постоянной 102

3.2.1. Режимы течения........................................................................................102

3.2.2. Зависимость скорости снаряда от приведенной скорости смеси.........105

3.2.3. Статистическая обработка экспериментальных данных.......................107

3.2.4. Фурье-спектр режимов течения...............................................................110

3.2.5. Карта режимов течения............................................................................111

3.2.6. Длина газовой и жидкой перемычки.......................................................112

3.2.7. Перепад давления......................................................................................ИЗ

3.3. Обсуждение результатов 115

Глава 4. Экспериментальное исследование структуры течения в

вертикальном прямоугольном микроканале 117

4.1. Экспериментальное исследование структуры течения в вертикальном микроканале с поперечным размером меньше капиллярной постоянной 117

4.1.1. Режимы течения в вертикальном прямоугольном микроканале с размером меньше капиллярной постоянной..........................................117

4.1.2. Зависимость скорости снаряда от приведенной скорости смеси.........120

4.1.3. Статистическая обработка экспериментальных данных.......................122

4.1.4. Фурье-спектр режимов течения...............................................................127

4.1.5. Карта режимов течения............................................................................128

4.1.6. Изучение волновой структуры толщины пленки в микроканале методом лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF).....................131

4.1.7. Перепад давления......................................................................................133

4.2. Экспериментальное исследование структуры течения в вертикальном канале с поперечным размером, сопоставимым с капиллярной постоянной 135

4.2.1. Режимы газожидкостного течения..........................................................135

4.2.2. Зависимость скорости снаряда от приведенной скорости смеси.........138

4.2.3. Статистическая обработка экспериментальных данных.......................139

4.2.4. Карта режимов течения............................................................................142

4.3. Обсунедение результатов 144 Заключение 146

Основные результаты..........................................................................................146

Литература 151

Принятые обозначения

О - диаметр, м. Ь - длина участка, м.

хьх2 - координаты положения фотодиода, м.

Я - радиус, м.

V/ - ширина канала, м.

Ь - глубина канала, м.

Б - площадь сечения, м .

А - поперечное сечение канала, м2.

V - объем, м3.

J - приведенная скорость, м/с.

•1т - приведенная скорость смеси, м/с.

и - скорость, м/с.

С - полный массовый расход, кг/м с. g — ускорение свободного падения, м/с . Р - давление, Па.

Я - газовая постоянная, Дж^моль-К). Т - температура, К.

Безразмерные комплексы

Со - параметр распределения скорости, х - массовое газосодержание.

Зб р!,

¿•С

/ = —^— фактор Фаннинга (коэффициент гидравлического сопротивления).

Яе = - число Рейнольдса. М

~ ¡ли

С а = £— - капиллярное число. а

1Уе = ^ ^ - число Вебера. сг

Мо - --число Мортона.

Р<г

тг и1

гг ----число Фруда.

Ga = —--число Галилея.

,r Se [o-/g(p,iq-pgJ }'2

Nr = = —----—i--число стесненности.

conf D ^

Nconf=~j- - число Бонда.

Eo =

Г D^2

- число Этвеша.

К = --число Кутателадзе.

Аг = с —— - число Архимеда.

Кп = ~ - число Кнудсена.

/ = ~ длина свободного пробега.

р42КГ

Греческие символы

8С - -yjcr/g(pll4 - pgas) - капиллярная постоянная (постоянная Лапласа), м. 5 - толщина, м.

р - плотность, кг/м . су - поверхностное натяжение, Н/м. v - кинематическая вязкость, м2/с. ц - динамическая вязкость, кг/(с м). е - шероховатость канала, м. П - периметр, м.

к - кривизна межфазной поверхности, м"1. т - напряжение трения, кг/(с2 м). (р - объемное газосодержание.

Индексы

b - газовая перемычка (пузырь), s - жидкая перемычка, film - пленка, h - гидравлический.

liq - жидкость, gas - газ. tp - двухфазный, sl - газовый снаряд, an - кольцевой, w - стенка.

UC - элементарная ячейка

Введение

В настоящее время наблюдается рост интереса к исследованиям в области капиллярной гидродинамики и теплообмена в микросистемах, вызванный бурным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, энергетике и химической технологии. Например, для охлаждения микроэлектронного оборудования разрабатываются миниатюрные тепловые трубы и микроканальные системы охлаэдения с двухфазных! теплоносителем. Двухфазные течения в каналах малого сечения используются в мембранных топливных элементах и испарительно-конденсационных системах термостабилизации космических аппаратов. Прикладные аспекты рассматриваемой проблемы связаны с перспективой применения каналов малого и сверхмалого размера для интенсификации тепломассопереноса в компактных энергетических устройствах. При уменьшении поперечного размера канала, отношение поверхности к объему канала увеличивается обратно пропорционально диаметру канала, что обуславливает высокую интенсивность теплообмена в микросистемах. Эффекты масштаба и ламинарная природа течения в микроканале приводит к изменению соотношения вязких, гравитационных, инерционных и капиллярных сил. Известно, что структура газожидкостного течения в земных условиях в значительной степени определяется эффектами гравитации, которые определяют форму межфазной поверхности на капиллярно-гравитационном масштабе, В микроканалах определяющим масштабом является поперечный размер канала, который может быть существенно меньше капиллярно-гравитационного масштаба. Это определет существенно новые закономерности газожидкостных течений и существующие теоретические подходы к анализу гидродинамики и процессов переноса не могут быть применены для проектирования микроканальных устройств.

является развитие методов измерения статистических характеристик течений на микромасштабе и проведения на их основе систематических исследований закономерностей газожидкостного течения в каналах с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной, то есть в таких каналах, в которых влияние капиллярных сил является преобладающим.

Целью данной работы является развитие методов экспериментального исследования гидродинамики двухфазного газожидкостного течения в микроканале, получение закономерностей режимов течения и определение границ режимов течения, определение потерь на трение для каналов с различной ориентацией относительно вектора силы тяжести.

Достижение этой цели потребовало решение следующих экспериментальных и методических задач:

1. Создание экспериментальной установки для исследования двухфазного газожидкостного течения в каналах прямоугольного поперечного сечения с гидравлическим диаметром от 274 мкм до 2.4 мм и отношением сторон канала до 3. Разработка метода смешивания фаз на входе в рабочий участок, определение влияния входных условий на структуру газожидкостного течения.

2. Развитие метода двухлучевого лазерного сканирования газожидкостного течения в микроканале и методик определения режимов течения на его основе. Определение закономерностей режимов течения на основе визуализации течения и с использованием метода лазерного сканирования потока.

3. Развитие методики измерения локальной толщины пленки с использованием метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ЬШ) и высокоскоростной фото- и видеосъемки.

4. Измерение статистических характеристик движения жидких и газовых фаз в микроканале, построение карт режимов течения на основе данных статистического анализа.

5. Разработка методов и измерения потерь на трение для однофазного и двухфазного течения в микроканалах различной ориентации, проверка применимости существующих моделей расчета потерь на трение.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:

• С помощью метода двулучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки получены основные режимы восходящего и горизонтального адиабатного газожидкостного потока в микроканалах прямоугольного сечения с отношением сторон канала больше 0.3. Установлено, что режим течения в микроканале с поперечным

размером существенно меньше капиллярной постоянной не зависит от ориентации канала относительно вектора силы тяжести и доминирующее влияние на развитие течения оказывают капиллярные силы.

• Впервые в широком диапазоне размеров микроканала получены комплексные статистические характеристики движения жидкой и газовой фаз, в том числе скоростей движения фаз, длин жидких и газовых перемычек. Показано, что доминирующими режимами течения в микроканале с отношением сторон больше 0.3 являются: течение с жидкими перемычками, стабилизированными капиллярными силами, и кольцевое течение с волнами на короткой стороне канала.

• Впервые предложено определять границы режимов течения в каналах на основании обработки статистических данных: по зависимости дисперсии, распределения относительного времени перекрытия сечения канала газовой и жидкой фазой и Фурье-спектра сигнала от приведенной скорости газа и жидкости. С использованием этого метода достоверно определены границы режимов течения для микроканалов различного поперечного размера, уста-новлена зависимость границ режимов течения от поперечного размера мик-роканала.

• В широком диапазоне изменения поперечного размера канала построены карты режимов течения для горизонтальных и вертикальных микроканалов, определено влияние размера канала на режимы течения и границы режимов течения. Для микроканалов с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной впервые экспериментально обоснован новый метод расчета границы перехода от снарядного режима течения к кольцевому течению.

• Определены входные условия, которые влияют на формирование газожидкостного течения, в том числе на распределение длин газовых снарядов. Предложена и экспериментально обоснована модель для расчета средней длины газового снаряда в микроканале. Данная модель хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными и результатами других авторов.

• С помощью метода ЬШ установлена форма волн на поверхности пленки жидкости для кольцевого течения, показана связь волн на длинной и короткой стороне канала. Получены спектральные характеристики волн и измерена остаточная толщина пленки жидкости.

• Измерены потери давления на трение в микроканалах с различной ориентацией относительно вектора силы тяжести. Установлено, что потери давления на трение в канале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной не зависят от ориентации канала и находятся в хорошем согласии с расчетом по модифицированной

модели Kreutzer et al. (2005) при учете капиллярного давления на межфазной поверхности и относительной длины жидких перемычек.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты по экспериментальному определению границ режимов течения в прямоугольных вертикальных и горизонтальных микроканалах с зазором от 200 мкм до 2 мм, полученные при использовании метода лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки.

2. Результаты по влиянию поперечного размера микроканала на режим течения и положение границ перехода между режимами течения, карты режимов течения в горизонтальных и вертикальных прямоугольных микроканалах.

3. Результаты по определению статистических характеристик движения жидкой и газовой фаз в микроканалах, в том числе скоростей движения фаз, длин жидких и газовых перемычек.

4. Результаты по измерению относительного времени перекрытия сечения канала газовой и жидкой фазами, построения Фурье-спектров режимов течения и их использования для определения режима течения.

5. Результаты по определению волновой структуры межфазной поверхности в кольцевом режиме течения методом лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) с использованием в качестве флуорофора Родамина 6Ж.

6. Результаты по определению потерь на трение для однофазного и двухфазного течения в микроканалах горизонтальной и вертикальной ориентации.

Достоверность полученных результатов подтверждается оценкой величины погрешности измерений, проведением калибровочных экспериментов, сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов, а так же использованием обоснованных методик измерений.

характеристики течения. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и оптимизации компактных теплообменников.

Для диссертации лично соискателем проведено конструирование рабочих участков, создание и отработка методики измерений статистических характеристик газожидкостного течения с помощью метода лазерн