微小三通管弹状流与环状流相分配机理对比研究.pdf

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1、第36卷第4期东北电力大学学报Vo1．36．No．42016年8月JournalOfNortheastDianiiUniversityAug．，2016文章编号：1005—2992(2016)04—0073—05微小三通管弹状流与环状流相分配机理对比研究杨美，臧新2，周云龙(1．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012；2．中广核工程有限公司，广东深圳518000)摘要：采用计算流体动力学方法，通过改变支管倾角，对微小三通管道模型进行了数值模拟，研究了入口流型为弹状流和环状流时，微小三通管道的相

2、分配特性，分析了管道中气相和液相的体积分数分布规律。结果表明，微通道内的相分离特性受上游两相流流型影响。弹状流气相优先在支管中采出，而环状流的液相优先在支管中采出。对比研究微小三通管弹状流与环状流相分配机理，入口流型为环状流时，支管倾角为60。的管内流动，经过三通管道，延续环状流稳定方面有较大优势，可获得最佳的相均匀分配；入口流型为弹状流时，当支管倾角减小为20。和30。时，两者质量分离效率相差小于5％，质量分离效率最低，可获得最佳的相均匀分配。关键词：相分配；微小三通道；弹状流；环状流中图分类号：TP29

3、文献标识码：A在微化工领域内，紧凑型和微小型热交换器的需求日益增加，如燃料电池周围需要配置大量水力半径在微米级的热交换器。三通管是一种常用的流体分配器，不可避免会出现相分配不均的情况¨J，工程上总是希望工质可以均匀分配给下游，以免影响下游设备的正常运行。气液两相流在微通道中流动经过三通管道时，会出现气相和液相分配比例不一样，在主管和支管中的空气和水的百分比有明显差异。含气率高的管道会出现设备干烧现象，严重影响管道的安全运行，甚至出现管道爆裂情况，AlamuaMB，WrenE对相分配不均情况做了详细的研究。因

4、此，微小三通管内的流量分配及相分配特性的研究显得越来越重要。近些年来针对气液两相流过T形管时的相分布已进行了较深入的研究，对于气液两相流流动的分配特性，国内外已经进行了深入的探讨和研究一。在微小通道中相分配的情况只有少数人研究，StaeeyT开始用数值模拟方法来模拟部分实验结果J，Kim等人通过可视化实验发现微通道由于管壁之间空间狭小，气体很难携带液滴，液体只会以液膜的形式流动。这些都是对5ram以上常规尺寸通道下的研究，在微小通道中相分配的研究只有一小部分，本文针对微小三通管弹状流和环状流相分配特性对比研

5、究，探讨气液两相流相分配机理。1微小三通管物理模型微小三通通道截面积为矩形(100Izmx800m)，主管为弹状流流动，主支管与侧支管长度均为1cm。模拟流体为氮气和质量分数为0．O1％的十二烷基硫酸钠水溶液(O．01％SDS)。本方案选了6组收稿日期：2016-04—18作者简介：杨美(1988一)，女，贵州省铜仁市人，东北电力大学能源与动力工程学院助教，硕士，主要研究方向：气液两相流流动及传热．74东北电力大学学报第36卷主管与支管夹角0，平面图如图l所示，整个详细的模拟过程参见文献[10]所述。主管进

6、口进口图l不同支管倾角下微小三通道平面2模拟结果与分析2．1数值模拟的可行性和准确性为了验证计算流体动力学(CFD)模拟结果的可行性和准确性，将本模型与周云龙¨¨实验所做的T型微通道两相流弹状流型和环状流进行对比，模拟结果与实验结果有很好的一致性n卜他]。2．2支管倾角对弹状流和环状流相分配的影响支管出口液相采出分率计算公式F3：M3／Ml×100％，(1)式中：，与分别为支管出口液相质量流率和主管入口液相质量流率，k。支管出口气相采出分率计算公式F3：M3／M1×100％，(2)式中：M3与分别为支管出口

7、气相质量流率和主管人口的气相质量流率，kg／s。该流动为非稳态流动，在不同时刻支管采出率是不同的，取各个时间段的时均值。通过对微小三通管道模型的数值模拟，得到入口流型为弹状流和入口流型为环状流时，不同支管倾角下的微小三通管道的相分配特性。对角线为两相均匀分配的等分线，如图2、图3所示。堡褂求篓蔼谤粪图2不同支管倾角对弹状流相分配特性堡褂求弓暑靶艇图3不同支管倾角环状流的相分配特性第4期杨美等：微小三通管弹状流与环状流相分配机理对比研究75支管倾角不同时，弹状流的相分配特性不同，支管出口气相采出分率总大于支管

8、出口液相采出分率，如图2所示。说明弹状流在管内发生了不均匀分离，此时支管气相采出占优。在气液弹状流中，气弹和液弹交替流动，气体和液体因为密度差大，液体的动能大于气体的动能¨，在分叉处液体不易于改变流动方向进入支管中，而大量气体进入支管，造成支管中气相采出分率大于液相采出分率。当支管倾角减小时，分离效率逐渐降低。支管倾角越大，连接处动能损失越大，气体动能损失大于液体动能损失，导致大量气体改变方向进入支管，而液体选择