采用可視化手段研究了水力直徑為2.5 mm的正方形小通道內蔗糖-氮氣、羧甲基纖維素鈉 (CMC)-氮氣、水-氮氣和水力直徑為1.0 mm的正方形小通道內蔗糖-氮氣的垂直絕熱上升流動， 對其流型、壓降進行了實驗采集.實驗中的典型流型有:彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流.通過大量的數(shù)據 得到了各個溶質的流型轉變圖和壓降曲線，非圓截面小通道對各種流型的流動機理進行了分析，著重對黏彈性對于 流動的影響進行了研究.通過水力直徑為2.5 mm的小通道內蔗糖-氮氣、CMC-氮氣和水-氮氣流 型的對比，總結了流體的黏彈性、流量對于流型轉變的影響.對不同水力直徑時的蔗糖-氮氣流型進 行對比研究，總結了流體水力直徑、表面張力等因素對于流型轉變的影響，同時在水力直徑為1.0 mm的小通道內發(fā)現(xiàn)了明顯的二次流動現(xiàn)象.實驗證實Chisholm方法對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、垂直小矩形通道內的空氣-水兩相流動的流型， 測量了含氣率和界面濃度.文獻[3-5]將圓管通道和 非圓管通道內的兩相流動現(xiàn)象(包括流型轉變、含氣 率、壓降等)進行了對比分析，總結其影響因素并提 出了相應的實驗關聯(lián)式.Satitchaicharoen[6]對幾種 不同尺寸的小間距矩形通道垂直上升兩相流動進行 了研究，分析了間距尺寸、通道寬度和液體黏度對流 型轉變的影響.Hibiki等人[7]對Dh = l. 02 mm的小 管內垂直上升發(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)進行了測量. Kawahara等人[8]實驗研究了流體物性對水平圓管 小通道內兩相流特性的影響，分析了氣泡速度、空隙 率和壓降對氣-液兩相流動的影響.
已有文獻對圓形截面、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 相流動流型、壓降以及換熱系數(shù)等進行了實驗研究 和理論分析.本文對非圓形截面小通道內高黏性(質 量分數(shù)為50%的蔗糖)和黏彈性(質量分數(shù)為0. 4% 的CMC)溶液的氣-液兩相流動進行研究，探究了黏 彈性、表面張力等物性對于實驗的影響.
1實驗系統(tǒng)
本實驗在圖1所示的兩相流實驗臺上完成.氣 體由高壓氮氣瓶提供，流經穩(wěn)壓閥、調節(jié)針閥、熱式 氣體質量流量計后進人實驗段.在調節(jié)針閥與實驗 段之間裝有單向止回閥，以防止因實驗段中液路壓 力過大而導致的液體流人氣路損壞氣體流量計.儲 液罐內溶液經氮氣瓶高壓氮氣加壓，流經針閥、過濾 器、調節(jié)閥、轉子流量計后進人實驗段，隨后氣液混 合溶液從實驗段流出返回開口的儲液罐，實驗系統(tǒng) 中流量計采用并聯(lián)布置，一路工作，其余各路保持 關閉.
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實驗段材料為具有良好透光性的有機玻璃，便 于流型拍攝和捕捉.實驗段流動通道截面為正方形， 其結構見圖2,參數(shù)見表1.
表1實驗段結構參數(shù)
邊長/mmDh /tnm取壓段長度/mm
1.01.0200
2.52.5200
實驗采用數(shù)碼攝像機實現(xiàn)可視化，通過VMTV 視頻捕捉軟件將數(shù)碼攝像機拍攝的圖像傳遞到計算 機，捕捉存儲瞬態(tài)的圖像和動態(tài)的錄相.實驗結果分 析選取的工況及其參數(shù)如表2所示，
圖2實驗段結構示意圖 表2實驗工況和參數(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正方形小通道內兩相流動實驗結果 與分析
2.1 ft =2.5 _時不同性質溶液-氮氣的兩相流型
實驗拍攝了 Dh=2. 5 _的正方形截面小通道 內水-氮氣的兩相流型如圖3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.
實驗中所用蔗糖溶液屬于牛頓流體.蔗糖溶液 在20 •(：條件下對應的密度為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、比水大而導致的結果.在液速較 低的情況下，蔗糖溶液出現(xiàn)了彈環(huán)狀流.這是因為蔗 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=2.5 mm時不同性質溶液-氣氣的流型轉變
Dh=2. 5 mm時3種不同性質溶液的流型轉變 如圖6所示.可以看出，不同工質的轉變界限有所不 同，下面對不同溶液的流型轉變進行分析.
(1)水和蔗糖溶液流型轉變對比分析.在低表觀 液速下，兩種溶液的流型轉變走向基本相同,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，因而轉化為攪拌流的氣速比水所需 的小.
(2)CMC和蔗糖溶液流型轉變對比分析.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)狀流轉變曲線比蔗糖的向右彎 曲，這是因為低液速下CMC的黏性要比蔗糖的大 得多.隨著液速的增大，蔗糖的彈狀流-攪拌流轉變 界限比CMC的向右彎曲，這是因為隨著液速的增 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不同水力直徑時蔗糖-氮氣的兩相流型
為進一步探索水力直徑、表面張力等物性對黏 性流體的影響，研究了 Dh = l. 〇mm的正方形小通 道內蔗糖-氮氣的兩相流動.圖7為認=2. 5,1.0 mm時蔗糖-氮氣流型轉變對比圖，其中兩者的流型 轉變走勢基本相同，但界限轉折點不同.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，這是由于水力直徑不同時，相界面的 變化受到了影響.一方面，由于攪拌流的產生是流體 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，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 _時不同性質溶液-氮氣兩相摩擦 壓降
圖8為水、蔗糖、CMC 3種工質分別在所給定 液速下的壓降A辦對比圖，對其進行分析如下.
(1)低液速時，3者的壓降差別比較大，而在較 高液速時壓降差別減小.由于液速較低時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，因而其壓降遠高于水的.另外，低 氣速時CMC的壓降高于蔗糖溶液的，而高氣速時 蔗糖溶液的壓降高于CMC的.這是因為氣速的增 大帶動了 CMC溶液的剪切稀化作用，使其黏性減 小，壓降增長減小.
(2)髙液速時，同一表觀氣速下蔗糖的兩相壓降 最高，CMC次之，水最低.這是因為速度較高時，對 于CMC而言，其分子已經充分伸展，達到極限剪切 黏度，彈性消失，這時CMC的流動規(guī)律和液體單相 流動時相同，流動特性比較穩(wěn)定.
對不同性質溶液-氮氣兩相流體的壓降特性采 用Chisholm方法進行分析，發(fā)現(xiàn)對于牛頓流體溶液 水和蔗糖，其數(shù)據符合較好，而對于非牛頓流體 CMC溶液，如圖9所示，Chisholm方法已經不適 用，應尋求一種新的處理方法.
2.5不同水力直徑時蔗糖-氮氣兩相摩擦壓降在小通道內，通道的尺寸、形狀對于流體的表面 張力、二次流動等現(xiàn)象的影響一直是人們不斷探索 研究的對象[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比圖，通過分析可以 得出以下結論.
(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.這是因為水力直徑越小所 對應的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，隨著氣速增 加，其壓降的增加趨勢是相似的，然而在一定表觀氣 速范圍內，隨著表觀液速的增大，1.0 mm通道內壓 降的增長比2. 5 mm通道緩慢，兩者的差值逐漸增 大.同時，在1.0 mm通道內出現(xiàn)了明顯的二次流動 現(xiàn)象.
圖10正方形小通道內蔗糖-氮氣兩相摩擦壓降
3結論
本文通過可視化實驗觀察正方形通道內不同性 質溶液-氮氣的兩相流型，得到以下結論.
(1)通過£^=2. 5 mm的正方形通道內不同性 質溶液-氮氣兩相流動的可視化實驗研究，獲得了不 同性質溶液-氮氣的流型圖及其流型轉變圖，并對其 影響因素進行了分析，研究結果對工程應用具有一 定的參考價值.
(2)通過對Dh = l. 0 mm的正方形通道內蔗糖-
氮氣兩相流動的研究，獲得了= 2. 5,1.0 mm的
通道內流型轉變對比圖，研究了水力直徑對高黏性 流體流型轉變的影響，同時發(fā)現(xiàn)Dh = l. 0 mm的通 道內存在明顯的二次流動現(xiàn)象.
(3)分析對比了 Dh = 2. 5 mm 和 Dh = l. 0 mm 通道內的兩相摩檫壓降，發(fā)現(xiàn)Chisholm方法對于非 牛頓流體的壓降處理已不再適用.
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