微通道内液-液泰勒流传热的计算流体力学模拟

微通道内的液-液两相流型在低流速时以泰勒流为主,本文使用计算流体力学方法,对微通道内液-液泰勒流的传热特性进行了研究。首先考察了分散相流速、物系和管径对微通道壁面温度的影响。结果表明:分散相流速和物系热导率增大使得微通道壁面温度降低,管径的改变对微通道壁面温度影响较小。然后针对当量直径为0.5mm的微通道内工作介质为甲苯和水的两相泰勒流模型,考察了微通道壁面剪切力、界面涡度和努塞尔数对壁面和内部温度的影响,并与文献中气-液两相泰勒流的传热性质作了比较。结果表明:壁面剪切力和界面涡度对管壁和界面温度的波动性变化有一定影响,壁面剪切力和界面涡度的波峰往往出现在温度的波峰附近,并且有一定的时间滞后性。甲苯-水两相泰勒流动下的壁面努塞尔数比气-液两相流大得多,液弹单元的平均努塞尔数是相同条件下单相流体流动的1.3倍。     

入口角度及壁面性质对蛇形微通道内弹状流流动特性影响的格子Boltzmann模拟

在Y型汇流的矩形截面蛇形微通道内,采用格子Boltzmann方法对不同壁面性质的蛇形微通道内弹状流流动进行了数值计算。首先以空气和水为工作流体对气液两相流动进行模拟研究并通过实验进行验证。通过验证实验后,模拟计算了气相速度,Y型夹角和壁面性质对气泡长度的影响,以及Y型夹角对微通道内弹状流压降和流动阻力的影响;探讨了粗糙度与壁面润湿性对流动阻力的影响;同时,针对蛇形微通道弯管部分,分析了角度和壁面性质对弹状流流动的影响。通过计算,发现当壁面接触角及Y型夹角为90?时,气泡长度最大;当直微通道为亲水性光滑壁面,回转弯道为粗糙度较大的疏水壁面时,Po数较小。     

壁面润湿性对蛇形微通道内两相流流动特性影响的格子Boltzmann模拟

在90°Y形汇流的矩形截面蛇形微通道内,采用格子Boltzmann方法对不同接触角的蛇形微通道内气液两相流动进行了数值计算。首先以空气和水为工作流体对气液两相流动进行模拟研究并通过实验进行验证。验证模型合理性后,根据模拟计算结果,以气液相流速为坐标绘制了不同接触角下的流型图并分析其差异性及原因;同时深入研究了液相黏度和接触角对于弹状流流体力学性质的综合影响;比较了具有不同接触角壁面的蛇形微通道内两相流压降、摩擦因子、壁面摩擦系数和剪切应力的分布规律,并讨论了蛇形微通道内气液两相流动的影响因素。研究表明疏水壁面即接触角大于90°时,微通道内两相流压降、摩擦因子、壁面摩擦系数和剪切应力均低于亲水壁面微通道内相关参数,更利于流体流动。     

蛇形微通道气液两相流动特性

以空气、去离子水为实验工质,在θ=50°的Y型混合器内充分混合,利用高速摄像仪对当量直径177.8 μm的小曲率蛇形微通道进行可视化实验,对比了两种气液混合方式(上气下液型、上液下气型)下的流动特性。实验发现的主要流型有弹状流、波状分层流、弥散流等,对此分别研究了气弹的形状和长度、液膜厚度以及气流携带液滴的份额,并提出新的预测液滴含量的关联式。此外,针对这两种不同的混合方式,在弯道处发现圆弧可以诱导产生弹状流,二者均经历拉伸和断裂过程,区别在于后者在拉伸之前,先要进行膨胀。不同的气液混合方式对各相的流动会产生一定的影响,两相流体在通道壁面附近以及弯道处的分布也有所区别。     

方形微通道内流动凝结时气液相界面演进过程的数值模拟

基于VOF模型,模拟了R32在水力直径为50 μm的方形微通道内流动凝结时的气液两相流型演进过程,模拟涉及的流型包括环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流。模拟结果显示,由于沿通道周向气液界面存在曲率差异,凝结液内部存在表面张力导致的横向压力梯度,驱使凝结液流向通道壁面拐角处,减薄通道壁面中部液膜厚度。基于势能最小原理,解释了表面张力与界面黏性力主导的喷射流形成机理。小质量流率时,喷射流诱发环状流上游气液界面波动,界面波动在界面黏性力的作用下逐渐生长。这与大质量流率时,流向下游并逐渐生长的界面波动导致流型转换的机理不同。     

方形微通道内流动凝结时气液相界面演进过程的数值模拟

基于VOF模型,模拟了R32在水力直径为50μm的方形微通道内流动凝结时的气液两相流型演进过程,模拟涉及的流型包括环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流。模拟结果显示,由于沿通道周向气液界面存在曲率差异,凝结液内部存在表面张力导致的横向压力梯度,驱使凝结液流向通道壁面拐角处,减薄通道壁面中部液膜厚度。基于势能最小原理,解释了表面张力与界面黏性力主导的喷射流形成机理。小质量流率时,喷射流诱发环状流上游气液界面波动,界面波动在界面黏性力的作用下逐渐生长。这与大质量流率时,流向下游并逐渐生长的界面波动导致流型转换的机理不同。     

T型内螺纹微型管内Taylor流流型变化的数值研究

为研究含有内螺纹的微通道对气液泰勒流的影响,文中结合VOF多相流模型对微通道内气液两相流进行了数值模拟。主要分析了螺纹对称程度、螺纹高度、螺纹宽度对泰勒流型以及管内压力场的影响。结果表明:螺纹的存在会加强管内扰动,泰勒流在螺纹高度达到一定值时,泰勒气泡发生分裂;泰勒气泡形状变化主要与螺纹高度呈现正相关,与螺纹宽度几乎无关。螺纹会对气泡产生阻碍及导向作用,管内中轴线压力会受到螺纹的影响而呈现周期性波动。     

非线性振动下倾斜通道气液两相流动实验研究

为了研究非线性振动工况下倾斜通道气液两相流,将振动装置与气液两相流实验回路相结合,通过改变通道倾角及振动参数进行实验研究。由实验得到的流型图表明,非线性振动工况和稳态工况下的气液两相流动形式不同,增大倾角和振动参数会导致流型转换界限发生改变。由实验得到的气液界面分布情况表明,振动频率主要影响相界面波动程度,振动幅度主要影响截面空隙率,倾角主要影响气泡形状及液面波动角度。结果表明,通过对比非线性振动工况下倾斜通道内空隙率的预测值与实验值,稳态下两相流空隙率计算公式同样适用于非线性振动工况。     

微通道内气液两相Taylor流数值模拟

本文采用FLUENT软件对T型微通道内气液两相Taylor流进行模拟,得到了各物理参数对Taylor流的影响规律。在此基础上,采用最小二乘法进行拟合,得到了可以更准确预测T型通道内气液两相Taylor流气泡和液柱长度的经验关联式。     

周期性扩缩微通道内气液两相流型及其演变特性

以空气和水为实验工质,利用IDT高速摄像仪和Nikon生物显微镜组成的可视化系统对水平放置的PDMS周期性扩缩微通道内的气液两相流型及其演变特性进行实验研究。观察到的主要流型为间歇流和分离流。对于间歇流,气体以离散形式分布在液相中或者是液体以分散形式分布在气相中,而且气相分散跟液相分散交替存在。对于分离流,气体主要沿气体进口壁侧流动,液体主要沿液体进口壁侧流动。两相中存在明显的分界面,沿流动方向界面产生波动。通过改变气液两相表观流速,得到气液两相流型分布,进而提出间歇流与分离流流型转换的准则关系式。结果表明,同一液相表观流速下,三角凹穴型微通道间歇流向分离流转变所需的气相表观流速略小于扇形凹穴微通道。