采用可視化手段研究了水力直徑為2.5 mm的正方形小通道內(nèi)蔗糖-氮?dú)?、羧甲基纖維素鈉 (CMC)-氮?dú)?、?氮?dú)夂退χ睆綖?.0 mm的正方形小通道內(nèi)蔗糖-氮?dú)獾拇怪苯^熱上升流動(dòng)， 對(duì)其流型、壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)采集.實(shí)驗(yàn)中的典型流型有:彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流.通過大量的數(shù)據(jù) 得到了各個(gè)溶質(zhì)的流型轉(zhuǎn)變圖和壓降曲線，非圓截面小通道對(duì)各種流型的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了分析，著重對(duì)黏彈性對(duì)于 流動(dòng)的影響進(jìn)行了研究.通過水力直徑為2.5 mm的小通道內(nèi)蔗糖-氮?dú)?、CMC-氮?dú)夂退?氮?dú)饬?型的對(duì)比，總結(jié)了流體的黏彈性、流量對(duì)于流型轉(zhuǎn)變的影響.對(duì)不同水力直徑時(shí)的蔗糖-氮?dú)饬餍瓦M(jìn) 行對(duì)比研究，總結(jié)了流體水力直徑、表面張力等因素對(duì)于流型轉(zhuǎn)變的影響，同時(shí)在水力直徑為1.0 mm的小通道內(nèi)發(fā)現(xiàn)了明顯的二次流動(dòng)現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)證實(shí)Chisholm方法對(duì)于非牛頓流體的壓降處理 已不再適用.
分別研究了水力直徑Dh = l，2 mm的水 平、垂直小矩形通道內(nèi)的空氣-水兩相流動(dòng)的流型， 測(cè)量了含氣率和界面濃度.文獻(xiàn)[3-5]將圓管通道和 非圓管通道內(nèi)的兩相流動(dòng)現(xiàn)象(包括流型轉(zhuǎn)變、含氣 率、壓降等)進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)其影響因素并提 出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.Satitchaicharoen[6]對(duì)幾種 不同尺寸的小間距矩形通道垂直上升兩相流動(dòng)進(jìn)行 了研究，分析了間距尺寸、通道寬度和液體黏度對(duì)流 型轉(zhuǎn)變的影響.Hibiki等人[7]對(duì)Dh = l. 02 mm的小 管內(nèi)垂直上升發(fā)展泡狀流的空隙率、泡狀平均直徑、 泡狀數(shù)密度、截面濃度等物理參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量. Kawahara等人[8]實(shí)驗(yàn)研究了流體物性對(duì)水平圓管 小通道內(nèi)兩相流特性的影響，分析了氣泡速度、空隙 率和壓降對(duì)氣-液兩相流動(dòng)的影響.
已有文獻(xiàn)對(duì)圓形截面、矩形窄縫和非圓形截面 (三角形、正方形、梯形等)小通道中的不同溶液的兩 相流動(dòng)流型、壓降以及換熱系數(shù)等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 和理論分析.本文對(duì)非圓形截面小通道內(nèi)高黏性(質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為50%的蔗糖)和黏彈性(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4% 的CMC)溶液的氣-液兩相流動(dòng)進(jìn)行研究，探究了黏 彈性、表面張力等物性對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響.
1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
本實(shí)驗(yàn)在圖1所示的兩相流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成.氣 體由高壓氮?dú)馄刻峁?，流?jīng)穩(wěn)壓閥、調(diào)節(jié)針閥、熱式 氣體質(zhì)量流量計(jì)后進(jìn)人實(shí)驗(yàn)段.在調(diào)節(jié)針閥與實(shí)驗(yàn) 段之間裝有單向止回閥，以防止因?qū)嶒?yàn)段中液路壓 力過大而導(dǎo)致的液體流人氣路損壞氣體流量計(jì).儲(chǔ) 液罐內(nèi)溶液經(jīng)氮?dú)馄扛邏旱獨(dú)饧訅?，流?jīng)針閥、過濾 器、調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)后進(jìn)人實(shí)驗(yàn)段，隨后氣液混 合溶液從實(shí)驗(yàn)段流出返回開口的儲(chǔ)液罐，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 中流量計(jì)采用并聯(lián)布置，一路工作，其余各路保持 關(guān)閉.
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實(shí)驗(yàn)段材料為具有良好透光性的有機(jī)玻璃，便 于流型拍攝和捕捉.實(shí)驗(yàn)段流動(dòng)通道截面為正方形， 其結(jié)構(gòu)見圖2,參數(shù)見表1.
表1實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)參數(shù)
邊長(zhǎng)/mmDh /tnm取壓段長(zhǎng)度/mm
1.01.0200
2.52.5200
實(shí)驗(yàn)采用數(shù)碼攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)可視化，通過VMTV 視頻捕捉軟件將數(shù)碼攝像機(jī)拍攝的圖像傳遞到計(jì)算 機(jī)，捕捉存儲(chǔ)瞬態(tài)的圖像和動(dòng)態(tài)的錄相.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分 析選取的工況及其參數(shù)如表2所示，
圖2實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)示意圖 表2實(shí)驗(yàn)工況和參數(shù)
工況表觀氣速幾/m • s—1表觀液速九/m. s—1
10. 10.01
20.30.01
30.60.01
41.00. 01
53.00. 01
67.00.01
70.30. 02
85,00. 02
90.10.04
100.30. 04
110.50.05
123.00. 06
130.70. 30
141.00. 50
150.71. 00
165.01. 00
2正方形小通道內(nèi)兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 與分析
2.1 ft =2.5 _時(shí)不同性質(zhì)溶液-氮?dú)獾膬上嗔餍?/div>
實(shí)驗(yàn)拍攝了 Dh=2. 5 _的正方形截面小通道 內(nèi)水-氮?dú)獾膬上嗔餍腿鐖D3所示，隨著表觀速度的 增大，共獲得了 3種流型:彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流.
實(shí)驗(yàn)中所用蔗糖溶液屬于牛頓流體.蔗糖溶液 在20 •(：條件下對(duì)應(yīng)的密度為1. 229 57 g/mL，黏度 為15. 845 4 mPa • s[1°]，其在低液速、低氣速下呈現(xiàn) 彈狀流型，彈頭和彈尾為半球狀，其中彈頭比水-氮 氣的尖，但比CMC的平，這是由于溶液在低速條件 下黏度比CMC小、比水大而導(dǎo)致的結(jié)果.在液速較 低的情況下，蔗糖溶液出現(xiàn)了彈環(huán)狀流.這是因?yàn)檎?糖溶液的高黏性使得液膜比較穩(wěn)定，氣彈很難破碎， 在黏性力和表面張力的共同作用下，氣彈直接首尾 相連而過渡到環(huán)狀流.
2.2認(rèn)=2.5 mm時(shí)不同性質(zhì)溶液-氣氣的流型轉(zhuǎn)變
Dh=2. 5 mm時(shí)3種不同性質(zhì)溶液的流型轉(zhuǎn)變 如圖6所示.可以看出，不同工質(zhì)的轉(zhuǎn)變界限有所不 同，下面對(duì)不同溶液的流型轉(zhuǎn)變進(jìn)行分析.
(1)水和蔗糖溶液流型轉(zhuǎn)變對(duì)比分析.在低表觀 液速下，兩種溶液的流型轉(zhuǎn)變走向基本相同,蔗糖溶 液在低液速下的攪拌流區(qū)域較水的小.在較高的液 速下，蔗糖溶液彈狀流區(qū)域減小，在A〉1 m/s的 低氣速工況已經(jīng)不再出現(xiàn)彈狀流.其原因是蔗糖溶 液的黏性很高，低速情況下兩相流動(dòng)更為穩(wěn)定，因而 攪拌流型區(qū)更小.液速增大到一定值后，氣彈和液彈 的交替上升，使得氣彈尾部受到大的剪切力，黏性越 大剪切力越大，因而轉(zhuǎn)化為攪拌流的氣速比水所需 的小.
(2)CMC和蔗糖溶液流型轉(zhuǎn)變對(duì)比分析.CMC 溶液不僅有黏性，還有彈性，具有剪切稀化特性，而 蔗糖溶液只具有高黏性.低液速下CMC的彈狀流- 攪拌流和攪拌流-環(huán)狀流轉(zhuǎn)變曲線比蔗糖的向右彎 曲，這是因?yàn)榈鸵核傧翪MC的黏性要比蔗糖的大 得多.隨著液速的增大，蔗糖的彈狀流-攪拌流轉(zhuǎn)變 界限比CMC的向右彎曲，這是因?yàn)殡S著液速的增 加,CMC的剪切稀化作用使其黏性逐漸減小，從而 導(dǎo)致蔗糖在高液速區(qū)攪拌流的區(qū)域比CMC的 更寬.
2.3不同水力直徑時(shí)蔗糖-氮?dú)獾膬上嗔餍?/div>
為進(jìn)一步探索水力直徑、表面張力等物性對(duì)黏 性流體的影響，研究了 Dh = l. 〇mm的正方形小通 道內(nèi)蔗糖-氮?dú)獾膬上嗔鲃?dòng).圖7為認(rèn)=2. 5,1.0 mm時(shí)蔗糖-氮?dú)饬餍娃D(zhuǎn)變對(duì)比圖，其中兩者的流型 轉(zhuǎn)變走勢(shì)基本相同，但界限轉(zhuǎn)折點(diǎn)不同.彈狀流-攪 拌流以及攪拌流-環(huán)狀流的界限隨著水力直徑的減 小均向右移動(dòng)，這是由于水力直徑不同時(shí)，相界面的 變化受到了影響.一方面，由于攪拌流的產(chǎn)生是流體 湍流引起的，在相同速度下，水力直徑越小越 小，因而在同一液速下，攪拌流轉(zhuǎn)化所需氣速也就更 大.另一方面，小尺度使表面張力作用增強(qiáng)，液彈不 易破碎，兩相界面更易維持，因此1.0 mm通道中彈 狀流和環(huán)狀流的區(qū)域明顯大于2. 5 mm通道的.
2.4 A>=2. 5 _時(shí)不同性質(zhì)溶液-氮?dú)鈨上嗄Σ?壓降
圖8為水、蔗糖、CMC 3種工質(zhì)分別在所給定 液速下的壓降A(chǔ)辦對(duì)比圖，對(duì)其進(jìn)行分析如下.
(1)低液速時(shí)，3者的壓降差別比較大，而在較 高液速時(shí)壓降差別減小.由于液速較低時(shí)3種溶液 的氣液兩相的摩擦壓降黏性起主要作用，CMC和蔗 糖都具有高黏性，因而其壓降遠(yuǎn)高于水的.另外，低 氣速時(shí)CMC的壓降高于蔗糖溶液的，而高氣速時(shí) 蔗糖溶液的壓降高于CMC的.這是因?yàn)闅馑俚脑?大帶動(dòng)了 CMC溶液的剪切稀化作用，使其黏性減 小，壓降增長(zhǎng)減小.
(2)髙液速時(shí)，同一表觀氣速下蔗糖的兩相壓降 最高，CMC次之，水最低.這是因?yàn)樗俣容^高時(shí)，對(duì) 于CMC而言，其分子已經(jīng)充分伸展，達(dá)到極限剪切 黏度，彈性消失，這時(shí)CMC的流動(dòng)規(guī)律和液體單相 流動(dòng)時(shí)相同，流動(dòng)特性比較穩(wěn)定.
對(duì)不同性質(zhì)溶液-氮?dú)鈨上嗔黧w的壓降特性采 用Chisholm方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于牛頓流體溶液 水和蔗糖，其數(shù)據(jù)符合較好，而對(duì)于非牛頓流體 CMC溶液，如圖9所示，Chisholm方法已經(jīng)不適 用，應(yīng)尋求一種新的處理方法.
2.5不同水力直徑時(shí)蔗糖-氮?dú)鈨上嗄Σ翂航翟谛⊥ǖ纼?nèi)，通道的尺寸、形狀對(duì)于流體的表面 張力、二次流動(dòng)等現(xiàn)象的影響一直是人們不斷探索 研究的對(duì)象[46，11].圖10為高黏性蔗糖溶液在不同
水力直徑、不同流速下的壓降對(duì)比圖，通過分析可以 得出以下結(jié)論.
(1)在同一表觀氣速下，2. 5 mm通道的壓降明 顯大于1.0 mm通道的.這是因?yàn)樗χ睆皆叫∷?對(duì)應(yīng)的Re越小，從而所得的壓降越小.
(2)在不同水力直徑的小通道內(nèi)，隨著氣速增 加，其壓降的增加趨勢(shì)是相似的，然而在一定表觀氣 速范圍內(nèi)，隨著表觀液速的增大，1.0 mm通道內(nèi)壓 降的增長(zhǎng)比2. 5 mm通道緩慢，兩者的差值逐漸增 大.同時(shí)，在1.0 mm通道內(nèi)出現(xiàn)了明顯的二次流動(dòng) 現(xiàn)象.
圖10正方形小通道內(nèi)蔗糖-氮?dú)鈨上嗄Σ翂航?/div>
3結(jié)論
本文通過可視化實(shí)驗(yàn)觀察正方形通道內(nèi)不同性 質(zhì)溶液-氮?dú)獾膬上嗔餍停玫揭韵陆Y(jié)論.
(1)通過£^=2. 5 mm的正方形通道內(nèi)不同性 質(zhì)溶液-氮?dú)鈨上嗔鲃?dòng)的可視化實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不 同性質(zhì)溶液-氮?dú)獾牧餍蛨D及其流型轉(zhuǎn)變圖，并對(duì)其 影響因素進(jìn)行了分析，研究結(jié)果對(duì)工程應(yīng)用具有一 定的參考價(jià)值.
(2)通過對(duì)Dh = l. 0 mm的正方形通道內(nèi)蔗糖-
氮?dú)鈨上嗔鲃?dòng)的研究，獲得了= 2. 5,1.0 mm的
通道內(nèi)流型轉(zhuǎn)變對(duì)比圖，研究了水力直徑對(duì)高黏性 流體流型轉(zhuǎn)變的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Dh = l. 0 mm的通 道內(nèi)存在明顯的二次流動(dòng)現(xiàn)象.
(3)分析對(duì)比了 Dh = 2. 5 mm 和 Dh = l. 0 mm 通道內(nèi)的兩相摩檫壓降，發(fā)現(xiàn)Chisholm方法對(duì)于非 牛頓流體的壓降處理已不再適用.
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