张井志，李慧玲，雷 丽

(山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南 250061)

微化工是一项跨学科的高新技术，集合了化工、机械、电子、物理和材料等领域的研究成果。由于装置小型化，该技术具有体系反应的效率高、反应时间短、反应环境稳定、安全性高以及容易控制流态等优点[1-3]。根据微通道中工质的不同，主要有气-液[4-6]与液-液[7-10]两相流。液-液两相的流动受微通道尺寸空间的限制，离散相尺寸较为均一，相界面积比高传统反应器1 ～ 3个数量级，故从液-液流动方面看，通过调控微通道流型能有效改善反应过程[11-14]。

T型微通道结构简单，生成的微液滴分散性好、大小均一，因此应用广泛。韩宇[15]对液滴生成过程受力分析，指出气泡生成基于挤压模式、过渡模式、剪切模式。王晓军等[16]、季喜燕[17]通过模拟T型微通道液-液两相流，分析得到通道下游远离通道壁面的离散相速度远大于T型结口近壁面离散相速度。Dessimoz等[18]利用实验方法观察了不同当量直径的方形微通道内液-液两相流流型。通过分析实验结果得到，微通道内液-液两相流的流型由界面张力，粘性力和惯性力共同决定。Kashid等人[19]以甲苯-水为两相流研究体系，研究了4种不同几何结构的微通道内液-液两相流流型。结果表明：4种不同结构的微通道内均观察到弹状流、弹状流-滴状流、变形界面流以及平行流/环状流。Y型与同心圆型结构对于微通道内流型间的转换有着明显的区别。Darekar等[20]研究了微通道直径对与Y型微通道内液-液两相流型转换的影响。实验结果表明：当微通道直径的减小时，两相在微通道中的流动更易形成平行流。

目前已有一些文献研究微通道中液液两相流的特性，但对于微通道中两相流动速度及液滴形成时间仍有不足。本文以0.5%SDS蒸馏水与硅油分别作为连续相和离散相，分析凹穴型微通道液滴生成过程、形成时间，研究不同微通道结构对液滴长度的影响。

1 实验系统

凹穴型微通道液-液两相流实验装置及实验测试段如图1所示。离散相(硅油)和连续相(含0.5%SDS的蒸馏水)分别由型号为LSP02-1B与LSP01-1A的微量注射泵驱动流入微通道的实验测试段。通过微通道实验测试段的两相混合液流入废液收集器并正确处理。实验中，两相输入系统与实验测试段与废液收集器之间采用直径为3mm的硅胶管连接。微通道材质为亚克力玻璃，采用雕刻机对亚克力平板精密加工得到含有微通道(截面尺寸为：W×H= 500×415 μm)的刻槽板与盖板，刻槽板与盖板通过螺栓密封连接。微通道划分两部分：主通道长度为7.5 mm标准对冲T型微通道即平直段，间隔一定距离在直通道两侧加工一个凹穴即为凹穴段。实验中图像采集系统，采用100 W的背光源提供光照，高速摄像机记录微通道内的两相流型。实验中拍摄区域包括T型入口处、反应器下游凹穴通道的区域。

图1 实验系统及实验测试段示意图

2 实验结果与讨论

2.1 液滴形成过程分析

实验过程中，两相流量的变化范围分别为：Qc=5～200mL/h，Qd=1～10mL/h，通道内主要为弹状流与滴状流。由图2可知，两种液滴在通道内的生成位置及生成时间有着明显的差异。当离散相流量与连续相流量的比值较大时，微通道内主要形成弹状流。随着时间的推进，离散相逐渐膨胀(30ms)，进而填充整个微通道(60ms)。随着离散相进一步阻塞微通道(60～ 110)，液滴前后形成较大的压差力，两相界面逐渐向离散相入口侧收缩。当t= 110 ～ 118 ms时，液-液界面会快速拉伸、剪断，形成弹状液滴，如图2(a)所示。滴状流的形成过程如图2(b)所示，随着两相流量比的减小，离散相逐渐膨胀进而占据部分微通道(0 ～ 25 ms)。连续相流量的增大，剪切力占据主导作用，液-液界面迅速断裂形成较小液滴。对比图(a)、(b)可得，滴状流的生成频率高于弹状流。

2.2 液滴速度与形成时间的影响规律

液滴的生成时间本质决定着液滴的长度，在定量的Qc或Qd下，液滴的生成频率越低，液滴的长度越长。由图3可知，无量纲液滴速度随Cac的增大而逐渐增大。当Cac< 0.005时，通道内为弹状流，主要依靠压差力与界面张力作用。由于连续相流量低，与离散相之间的流量差较小，在液滴形成时，由于离散相几乎占据整个通道，连续相流动被阻塞，对下游通道内两相混合流动的推动作用小，因此随着Cac的增长，Vd/(jd+j《》c)增长较缓。当0.005< Cac< 0.01时，通道内流型为过渡流。与弹状流相比，过渡流形成时离散相占据部分通道，对连续相流动的阻塞作用减弱，进而对液滴的推动作用增强，因此Vd/(jd+jc)随着Cac的增长逐渐增大。当Cac> 0.01时,通道内主要依靠剪切力与界面张力作用形成滴状流。随着连续相流量的增大，离散相与连续相之间的存在较大流量差，由此产生的剪切力使液滴的尺寸愈小，离散相流量对于液滴移动的推动作用逐渐降低。因此随着Cac的增长，Vd/(jd+jc)增长的速度减小。

图2 液滴形成过程：(a) 弹状流(Qc=10 mL/h,Qd=5 mL/h)；(b)滴状流(Qc=100mL/h,Qd=5mL/h)

两相流量对液滴形成时间的影响如图4所示，t随着Qc的增大而减小。随着连续相流量的增大，离散相与连续相之间的流量差逐渐增大，剪切作用逐渐增强，液-液界面更易破裂形成液滴。当Q……c> 100 mL / h时，Qd增大，液滴形成时间基本无变化。如图2所示液滴形成时间是分散相膨胀填充通道的时间与液滴颈缩时间的总和。与滴状流形成时间相比，弹状流的颈部断离需足够时间积累的压差力克服界面张力，导致弹状流的形成时间较长。

图3 Vd/(jd+jc)随Cac的变化规律

图4 t随Qc的变化规律

2.3 通道结构对液滴长度的影响

微液滴的形成过程涉及到界面的挤压、两相界面的破裂等问题，而微通道结构的不同对于液滴的形成、流动有一定的影响。两种不同结构的微通道对于液滴长度的影响如图5所示。由图可得，无量纲液滴长度(Ld/W)随着Cac的增大逐渐减小，凹穴型微通道的液滴长度大于对冲T型微通道中的液滴长度。当Cac逐渐增大时，液滴形成由挤压机制向剪切机制转变。液滴形成机理的转变，导致液-液界面更易破裂形成尺寸小的液滴。如图1所示，凹穴型结构会减小壁面对于液滴的限制，液滴会产生一定的膨胀作用，液滴速度会有一定的降低。两相混合流动的速度降低，导致通道下游流动的压降增加，T型交汇处的压降减小。当Cac<0.01时，通道内为弹状流与过渡流。两种流型下，液-液界面都依靠压差力的挤压作用破裂形成液滴。T型交汇处的压降减小，液滴形成的时间增加，液滴长度增大。因此在相同工况下，凹穴型微通道中的液滴长度会更大。

图5 通道结构对液滴长度的影响

3 结论

本文利用实验方法，分析了凹穴型微通道结构中硅油和蒸馏水(0.5% SDS)的液-液两相流动的液滴形成机理、液滴流动速度及液滴形成时间，主要结论如下：

(1)滴状流与弹状流在形成过程中存在本质区别。滴状流主要靠剪切机制作用，两相之间的粘性剪切力起主导作用；弹状流受挤压机制作用，依靠离散相阻塞通道积累的压差力挤压形成液滴。

(2)无量纲液滴速度Vd/(jd+jc)随Cac的增大而逐渐增大，t随着Qc增大而减小。弹状流形成时间明显大于滴状流形成时间。

(3)无量纲液滴长度(Ld/W)随着Cac的增大逐渐减小，凹穴型微通道的液滴长度大于对冲T型微通道中的液滴长度。