水平PDMS微通道内气-液弹状流特性观察

　　0　引　言

　　为满足MEMS、微全分析系统(micro totalanalysis systems,μTAS)、紧凑式热交换器和电子冷却装置等快速增长的需求,微通道中两相流动和传热特性成为世界范围内基础研究热点,同时现代制造技术也发展出各种微通道设计和制作方法。Kawahara等[1]对直径100μm圆形管道进行的两相流流动特性实验,证实了流型包括光滑环形液膜包着气核的流动和变形液膜围绕蛇形气核的流动。实验还发现单相摩擦因子、两相流摩擦倍率与传统关系式很好地吻合。Serizawa等[2]完成了内径20、50和100μm的圆管内空气-水两相流流型实验的可视化观察,以及50μm圆管内水　蒸气-水两相流流型的可视化实验观察。在两组实验中,都发现了流型:分散的气泡流、弹状流、液环流、液块流、环形流、纤细环形流、溪流、液滴流和一种特殊的流型。实验确认内径表面状况会对两相流流型产生重要的影响。Coleman和Krause[3]实验测量了微通道内从100%液体到100%蒸汽的R134a两相流压降,记录了从185~785 kg/(m2·s)五种制冷剂质量流量产生的小压降。实验表明在微通道头部,任何一个用于预测两相流压降关系式的预测都会显著偏低。Cho等[4]阐述了在加热和不加热两种状况下R22流经微通道所产生的两相流流型和压降。采用水平加热器要比垂直加热器产生的压降要高。Saisorn等[5]实验研究了内径为0.53 mm圆形微通道内绝热空气-水两相流摩擦压降,观察到了弹状流、带有喉部的环形流、搅拌流和环形溪流,并提出一个新的关系式用来计算实际的两相流压降。

　　研究大多都集中于微通道中两相流流型观察、体积含气率和微通道整体压降的计算和测量,但对于微通道两相流的局部和动态等绝热特性的行为观察和测量都没有涉及,例如气泡数量和含气率的关系、气泡演化与局部压降的关系等等。本文通过实验揭示PDMS水平微通道内空气-甘油弹状流的细节信息,采用高速CCD拍摄观察弹状气泡流测压点的情况,使用高精度的压力传感器测量压力波动,重点表述气泡分布演化与含气率的关系、气柱运动与测压点局部压力波动之间关系等。

　　1　实　验

　　1.1　实验装置

　　图1为试验装置的示意图,主要由注射泵、实验段、选择阀、压力传感器、烧杯、CCD摄像机、计算机和实验管路等几大部分组成。两个注射泵,一

　　1.2　实验方法

　　实验使用纯甘油和空气作为工作流体形成在气柱的形状、大小、长度以及气柱之间的距离(液柱长度)不同的弹状流。如图3所示,首先把纯甘油连续注入微通道,直到甘油充满微通道和测压点所连接的测压管且保证其中没有气泡,再用另一个注射泵注入空气,调节两个注射泵的注射速度,形成具有不同气泡分布稳定的弹状流。在微通道的出口出外接一个塑管,使甘油能流入到烧杯中以便收集。本实验中甘油流量都是20μL/min,由于空气的压缩性,并没有测得空气流量。微通道的12个测压点通过塑料管与一个1~ 12通道的选择阀连接,选择阀出口与压力传感器连接,这样可以用一个传感器依次测量12个不个用来推进供应纯甘油,一个用来压缩推进空气,以便形成不同的弹状流。微通道实验段制作布置了不同的测压点,选择阀用于选择切换实验测压点,高精度压力传感器用来测量测压点的压力,烧杯收集工作流体,高速CCD拍摄和观察实验状况,用计算机实时可视化观察,同时采集和记录实验数据。