微通道气液柱塞流头部流场三维实验探究

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1、微通道气液柱塞流头部流场三维实验探究　　摘要：为研究微通道气液柱塞流三维流场特性，采用三维MicroPIV技术对微通道气液柱塞流进行实验研究，通过处理分析柱塞流图像，获得气泡前部区域的示踪颗粒分布图和三维速度分布图.研究结果表明：在气泡前部区域存在两个对称的方向相反的漩涡；在气柱头部附近区域，流体以较大速度沿着气柱表面流动；在远离气柱头部的区域，与单相流有类似的抛物线速度分布；在气液界面和壁面之间的流体运动复杂，有可能流向气液界面，也有可能流向壁面，气液界面近似为刚性.关键词：微通道；柱塞流；三维流场；MicroPIV中图分类号：O358文献标志码：AExperimental

2、InvestigationsofThreeDimensionalFlow微通道是微流控芯片的最基本组成单元之一.微细通道内气液两相流型、压降和流动稳定性等特性与宏观尺度常规通道有显著差异[1].文献[2]对直径为1mm和1.4mm的水平圆形毛细管进行了两相流实验研究，发现主要流型为柱塞流和环状流.文献[34]中，实验观察到泡状流、柱塞流、搅拌流、柱塞环状流和环状流.文献[56]的实验发现有泡状流、柱塞流、搅拌流和环状流.文献[78]9研究发现有泡状流、柱塞流、柱塞环状流、搅拌流和环形流等流型.上述文献对不同材质、不同微细流道截面形状和不同工质进行实验研究，表明柱塞流是微通道主

3、要且重要的流型.文献[910]中证实了泰勒气泡在液体中运动时，微流道截面的中部区域、气泡头部的气液界面推动液体向前流动，并在靠近壁面的区域形成两个沿流道中心线对称的漩涡.文献[1112]对垂直管和水平矩形管柱塞流进行数值模拟，发现液膜随毛细数增大而变厚，导致胶囊状的气泡尾部变得扁平并进一步变成凹面，采用VOF方法对柱塞流速度场进行计算，获得了液柱的流场细节.文献[13]对矩形微通道柱塞流进行研究，发现压降主要由微通道内的气泡数目决定.文献[14]中总结了多相流反应器内的微通道柱塞流方面的研究，对柱塞流对传质的影响、柱塞的压降和停留时间做了分析和评估.文献[15]对竖直毛细管长

4、柱塞流内添加表面活性剂的影响进行研究，发现了液膜减薄和延迟效应，并建立了气泡上升速度与液膜厚度的关系式.9目前文献多数是关于微通道流型和压降的研究，流场方面的研究多是二维实验研究和数值模拟，而少有关于柱塞流三维流场的实验研究.本文利用三维MicroPIV技术对微通道气液柱塞流进行实验观察测量，通过图像处理分析，研究气泡头部区域流场.西南交通大学学报第48卷第2期王凌等：微通道气液柱塞流头部流场三维实验研究1实验1.1实验装置如图1所示，实验装置主要由流体加注系统、实验段、电加热系统、激光器系统和可视化MicroPIV系统组成.1.注射泵；2.激光器电源；3.固体激光器；4.实

5、验段；5.加热器；6.智能温控表；7.CCD摄像机；8.荧光显微镜；9.计算机采集系统；10.烧杯流体加注系统包括注射泵、注射器、烧杯以及连接管道等部分.本文工质采用浓度0.01M的硼砂溶液，DukeScientific公司生产的直径为0.5μm聚苯乙烯球作为示踪粒子.绿色固体激光器的波长为532nm，颗粒受激产生610nm的荧光.为控制工质流量，用Aitecs公司生产的SEP10S型数控注射泵驱动工质流动，其相对精度为±2.0%.1.2实验段采用浙江大学微分析系统研究所利用氢氟酸溶液湿法刻蚀技术制作的玻璃微通道芯片，整体结构如图2所示.通道截面为100μm×30μm（宽×高

6、），长度为40mm.微通道芯片两端留有蓄液池作为连接孔，蚀刻深度与通道深度一致，连接孔直径为2mm.由于刻蚀技术原因，微流道截面并不是规则的矩形，经测量截面尺寸为97μm×27μm（宽×高）.实验段装置剖面示意如图3所示.微流道芯片基片材质是普通绿玻璃，在50～200℃内，平均膨胀系数为9.4×10-6/℃，折射率为1.512，化学稳定性良好，可较好地满足实验条件.91.3可视化MicroPIV系统可视化MicroPIV系统由CCD摄像机、落射荧光显微镜、数据采集卡、微型计算机和数据采集软件构成.图像采集设备是BASLER公司生产的A102f型号的高灵敏度黑白CCD摄像机，最

7、大分辨率为1392×1040，每个像素的大小为6.45μm×6.45μm，在最大分辨率的8位输出模式下最大采集帧率为15.1帧/s.图像采集系统由CCD摄像机、图像采集卡、图像采集软件和计算机构成.核心仪器是科仪电光仪器厂生产的YZ2型落射式荧光显微镜.图像采集系统记录和存储微流道实验段中的荧光颗粒衍射图像.北京榜首科技公司生产的固体激光器作为激发光光源，配置50mW连续蓝光激光器（波长为473nm）和500mW连续绿色激光器（波长为532nm）.蓝色和绿色激光器分别采用VAⅡ型和VDⅢ型激光驱动器调节