Структура газо-жидкостного течения в вертикальном микроканале

УДК 621.1.016:536.42 И.А. Козулин, В.В. Кузнецов ИТ СО РАН, Новосибирск

СТРУКТУРА ГАЗО-ЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В ВЕРТИКАЛЬНОМ МИКРОКАНАЛЕ

I.A. Kozulin, V.VKuznetsov Institute of Thermophysics SB RAS

pr. Akademika Lavrentjeva, 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation STRUCTURE OF GAS-LIQUID FLOW IN VERTICAL MICROCHANNEL

In this work research of adiabatic gas-liquid flow H2O/CO2 in saturation conditions was made in channel with a diameter less than the capillary constant. The experiments were conducted in a rectangle glass channel with a cross-section size 1,75x3,8mm and length 0,7m in the range of the gas superficial velocity from 0,1 to 10 m / sec. and the liquid from 0,07 to 0,7 m/sec. The method of two-beam laser scanning was shown. For the first time was obtained statistical characteristics of the movement of liquid and gas phases in minichannel for slug, transition, churn and annular regimes. The flow pattern's map of upstream gas-liquid flow was constructed. It was shown the existence of Flicker noise in the analysis of gas-liquid flow. The experimental data were compared with existing flow pattern's map: Mishima Ishii (1984), Sorokina & Kutateladze (1946) and model of Akbar M.K, etc. (2003).

Характеристики газо-жидкостного двухфазного потока в каналах малого и сверхмалого размера играют важную роль в промышленности и технике, так как используются в охлаждающих системах различного вида оборудования. Поэтому данные исследования находят свое применение в таких системах как микроэлектроника, в компьютерах, суперкомпьютерах, мощных лазерах, медицинском оборудовании, компактных теплообменниках, в космических кораблях и спутниках.

Проведено достаточно много работ по исследованию двухфазных режимов для труб маленького диаметра Mishima&Ishii (1984) [1], Suo&Griffith (1984) [2] Akbar M.K., Plummer D.A (2003) [3] и др., но требуется дальнейшие исследования и обобщения этих работ. В данной работе рассматривается микроканал с гидравлическим диаметром Dh=2400 мкм, что меньше капиллярной постоянной для воды. Для таких малых каналов остается нерешенным вопрос критериального описания границ переходов между различными режимами течения, определения областей влияния каппилярных, гравитационных, инерционных и вязких сил в двухфазных течениях, статистических характеристик газо-жидкостного течения, чему и посвящена данная работа.

Для определения параметров двухфазного потока в микроканале был собран экспериментальный участок, схема, которого приведена на рис. 1. Сжатый углекислый газ поступал из баллона (1) через регулировочный винт и датчик расхода газа (2) непосредственно в экспериментальный участок (5). Вода при этом поступала из бака (4) с водой, расположенного на высоте ~2 м,

далее через винт контроля расхода жидкости, в ротаметр (3) и далее в смешивающую камеру, расположенную внизу перед экспериментальным участком, здесь происходило образование двухфазного газожидкостного потока (H2O-CO2) из воды и углекислого газа. Экспериментальный участок представлял собой прямоугольный канал размером 1,75x3,8 мм, собранный из 4 параллельных стеклянных пластин, длиной L = 70 см, склеенных между собой эпоксидным клеем. Внутри канала при изменении расхода жидкости и газа исследовались различные режимы течения двухфазного потока. Непосредственно с экспериментального участка

двухфазная жидкость откачивалась жидкостным насосом (9) и далее вновь поступала в открытый бак с водой, при этом углекислый газ уходил в атмосферу, тогда как вода циркулировала по замкнутому контуру.

Для определения режимов течения использовался метод двойного лазерного сканирования. Для осуществления этой задачи была собрана следующая схема. С лицевой стороны экспериментального участка были расположены два лазера (7) так, что свет от лазера падал перпендикулярно на исследуемый канал. Через прозрачный участок на базе 35 мм двухфазный поток освещался лазерными лучами с диаметром светового пятна порядка размера канала. Питание лазеров осуществлялось с помощью источника напряжения TEC-42 (8). Интенсивность прошедшего света измерялась с помощью фотодиодов. Сигнал со светочувствительных элементов регистрировался с помощью высокоскоростной платы АЦП (Lcard L-264) с максимальной частотой опроса по всем каналам 200 kHz, и далее выводились на экран компьютера (10). С лицевой стороны канала, при помощи цифровой видеокамеры и цифрового фотоаппарата проводилась визуализация двухфазного потока, после записи режима течения в файл на компьютер проводилось также фотографирование данного режима течения.

Для получения различных режимов течения восходящего газожидкостного потока (H2O-CO2) расход жидкости и газа изменялся в диапазоне приведенных скоростей газа 0,07-10 м/c и жидкости 0,07-0,64 м/с. Для каждого отдельного эксперимента производилась запись сигнала с двух фотодиодов в течении 15^30 сек, затем данный режим течения записывался на видео камеру и фотографировался. Запись сигналов с фотодиодов

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

производилась в темной комнате, для исключения шума от ламп накаливания и дневного света.

Режим течения определялся как по данным визуализации, так и по характеру спектра сигнала со светочувствительных элементов. В результате проведенных экспериментов были обнаружены следующие режимы течения: снарядный, переходный, вспененный, кольцевой. Обработка сигналов с фотодиодов проводилась на 32-х разрядной плате АЦП Lcard-264. Оцифровка сигнала осуществлялась с частотой у=2 кГц в течении 15^30 сек. Определение режима течения определялось визуально по характеру сигналов.

Пузырьково-снарядный режим течения наблюдался в течениях с приведенными скоростями в диапазоне (7^=0,51^0,64 м/с, Jgas=0,07^0,84 м/с). Важно отметить, что режим с дискретными пузырьками в трубке не наблюдался, и структура потока была больше похожа на снарядный режим, с многочисленными короткими жидкими перемычками. На рис. 2 показана временная развертка сигнала оптических датчиков и фотографии структуры потока для пузырьково-снарядного режима течения.

При увеличении приведенной скорости в диапазоне (7ич= 0,07^0,38 м/с, 0,52^1,57 м/с) наблюдался снарядный режим течения, при этом характерный вид сигнала показан на рис. 3. Здесь наблюдались длинные снаряды, разделенные короткой жидкой перемычкой.

ервыи канал

Л Ампли сигнал I да В II ур Ш Первый кг нал

*

п)

/1 АлГЯП Второи канал

Жидкая перемычка Снаряд

Снаряд Жидкая перемычка

Время, мс

ВтороИ канал

Жидкая перемычка

Снаряд

"г ч

¿ЗА У

Время, мс

Рис. 2. Общий вид сигналов с первого и второго светодиода .1ип= 0,64 м/с, -1еа<;= 0,07 м/с

Рис. 3. Общий вид сигналов с первого и второго светодиода .1Пр= 0,12 м/с, .1§а5= 1,18 м/с

В диапазоне ^=0,08^0,29 м/с, Jgas=1,82^2,83 м/с) жидкости и газа наблюдался переходный режим от снарядного к вспененному режиму. С увеличением скорости переходный режим переходит в вспененный, когда целые снаряды наблюдались очень редко, тогда как сам снаряд разрушался, и наблюдалось нестабильное поведение жидкости. В области вспененного режима течения перемычки насыщены газом и каплями жидкости. Вспененный режим наблюдался в точках с приведенными скоростями

1^=0,074 м/с, 0,15 м/с, 1ёа8=2,77 м/с, 3,05 м/с. Поведение сигнала в вспененном режиме показано на рис. 4.

При увеличении приведенных скоростей наблюдался переход к кольцевому режиму Характерный вид сигнала показан на рис. 5. Кольцевой режим наблюдался в диапазоне приведенных скоростей (111ч = 0,057-0,27 м/с, 1ёа8 = 3,43-9,52 м/с).

В данной работе были впервые получены статистические характеристики движения жидкой и газовой фаз в миниканале, в том числе скоростей движения фаз. Для снарядно-пузырькового режима (111ч=0,64 м/с, ^=0,07 м/с) время обработки сигнала составляло 30 сек. На рис. 6а, 6б показано распределение снарядов по длинам, и распределение снарядов по скоростям, здесь же пунктирной линией отмечена суммарная скорость потока, равная сумме приведенных скоростей газа и жидкости ит=1ж+1г.

0.60.40.2-

Амплитуда сигнала, В

Первый канал

/

\ .Ах. Вспененная /

Ж } | область идкая перемычка

Жидкая перемычка ^ Вспененная область

Амплитуда сигнала, В:

Первый канал

Возмущения

Время, мс

13 1

Время, мс

Рис. 4. Общий вид сигналов с первого и второго светодиода .1Па= 0,074 м/с, .1еа5= 3,05 м/с

Рис. 5. Общий вид сигналов с первого и второго светодиода 0,12 м/с, 9,52 м/с

Рис. 6а. Распределение по длинам снарядов

Рис. 6б. Распределение скоростей снарядов

Для снарядного режима течения проводилась подобная процедура. На рис. 7а, 7б показано характерное статистическое распределение для снарядного режима течения (7^=0,12 м/с, Jgas=1,18 м/с), время обработки сигнала 27 сек. Здесь необходимо отметить, что скорость снарядов значительно превышает суммарную скорость потока.

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

Um=1.3 м/с

м/с

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Рис. 7а. Распределение по длинам снарядов

Рис. 7б. Распределение скоростей снарядов

N

N

м

Обработка данных для скорости всплытия снарядов проводилась в виде Ub=C-Um+Ubfree , где Um - сумма приведенных скоростей газа и жидкости, Ubfree - скорость свободного всплытия снаряда в неподвижной жидкости, Ub -скорость всплытия снаряда. Для пузырьково-снарядного, снарядного и переходного режима течения величина коэффициента C выше, чем в работе Nicklin D.J. и др. [4] (рис. 8). При анализе спектров сигналов во всех режимах течения на частоте выше 100 Гц был обнаружен фликкер-шум [5] (рис. 9).

400 350 300 250 200 150 100 50 О

Ub, см/с

- у-=-1,3S7_2X-+-Q

+ переходный

♦ снарядный

--------j---------  пузырьково-снарядный

250 300

Um, см/с

0,001

1Е-13

л 2

A ; пр.- ед.-

--V—-'J-™- 1Ж1Щ1"™

10

100

1000 v, Гц

Рис. 8. Зависимость скорость всплытия пузыря от скорости смеси

Рис. 9. Зависимость квадрата амплиуды сигнала от частоты на первом втором канале (Гнч= 0,11 м/с,^аз= 7,19 м/с).

При сравнении режимов течения с моделями режимов течения других работ для экспериментального участка с Д= 2,4 мм было показано, что

наиболее оптимальной моделью для описания является модель Mishima Ishii [2] (рис. 10). Тогда как переход от снарядного к переходному режиму наиболее точно отражает модель Akbar M.K., Plummer D.A. [3] для малых каналов, а модель Сорокина и Кутателадзе [6] хорошо предсказывает пузырьковый и снарядный режимы течения.

о о * *

+ +

Снарядный

Снарядно

пузырьковый

о Кольцевой * Вспененный + Переходный

Рис. 10. Карта режимов течений. Точки эксперимента и линии расчёта по модели Mishima Ishii

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ 08-08-00953а.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Suo М., Griffith P. Two-phase flow in capillary tubes // J. Basic Engineering.- 1984. -P. 576-582.

2. Mishima K., Ishii M. Flow regime criteria for upward two-phase flow in vertical tubes // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1984 .- V. 27, №.5. - P. 723-737.

3. Akbar M.K., Plummer D.A., Ghiaasiaan S.M. On gas-liquid two-phase flow regimes in microchannels // Int. J. of Multiphase Flow.- 2003. -V. 29. - P. 855-865.

4. Nicklin D.J., Davidson J.F. Paper № 4 // Two-phase Flow Symp., Inst. Mech. Engrs, London, 1962.

5. Решетников, А.В. Фликкер-шум и самоорганизованная критичность в кризисных режимах кипения / А.В. Решетников, В.Н. Скоков // ПМТФ. - 2002. - Т. 41, №1. - С. 131136.

6. Сорокин Ю.Л. Парожидкостное течение в трубах и обобщенные координаты для его анализа / Ю.Л. Сорокин, С.С. Кутателадзе // Советское котлотурбостроение.- 1946. -№2. - C. 19-20.

© И.А Козулин, В.В. Кузнецов, 2009