微通道是指当量直径为10~1 000 μm的通道。了解微通道内部的流体流动和传热特性, 是设计高效、紧凑及传热性能优良的换热器的关键。观测流体内部的流动情况是研究和设计微通道的基础。对于微通道内流体的流动, 已经取得了许多重要的研究结果。AHMAD T等人^[1]利用Micro-PIV研究了管径分别为100 μm, 200 μm, 500 μm的方形微通道层流流动时入口区域的速度发展情况, 并提出了新的入口长度关联式。HAO P F等人^[2]利用Micro-PIV研究了流体流过矩形微通道侧壁矩形粗糙元附近的流场情况, 发现由层流向紊流转变发生在雷诺数Re为900~1 100之间。WALSH P A等人^[3]将Micro-PIV应用于纳米流体, 研究了纳米流体对通道内局部流动的影响, 有助于开发或验证纳米流体在传热增强方面相关的理论。DAI Z H等人^[4]利用Micro-PIV对波浪管的局部速度场进行了测量, 得到了波浪管中的涡旋结构。BALASUBRAMANIAM L等人^[5]研究了低雷诺数下的螺旋微通道中混合流体的性能, 发现了多种涡结构。刘江^[6]利用Micro-PIV对处于风洞中的集沙仪的动力特性进行了研究, 结果表明, 主流速度的变化对集沙仪的动力特性的影响可忽略不计。

本文利用Micro-PIV对毛细管内水包油乳液的流场结构进行了实验研究, 同时运用FLUENT软件对毛细管内的流场进行了模拟, 研究了毛细管充分发展段内流体的流动状态从层流到湍流转捩的临界雷诺数。

实验中圆截面毛细管所用材料为石英玻璃, 具体的截面尺寸如表 1所示。

毛细管的俯视图如图 1所示。

实验中Re的计算公式为

$ D_{\mathrm{h}}=\frac{4 A_{\mathrm{c}}}{P}=\frac{4 \cdot \frac{\pi d^{2}}{4}}{\pi d}=d $

(1)

$ \mathrm{Re}=\frac{\mathrm{v} \mathrm{D}_{h}}{\eta} $

(2)

$ \bar{v}=\frac{4 q_{v}}{\pi \cdot D_{h}^{2}} $

(3)

$\eta=\eta_{0}(1+2.5 \phi)^{[7]}$

(4)

式中:A_c——毛细管的流动截面积, mm²;

P——润湿周长, mm;

d——毛细管直径, mm;

平均速度, m/s;

η——水包油乳液的黏度, m²/s;

q_v——体积流量, kg/m³;

η₀——去离子水的黏度, m²/s;

φ——水包油乳液的体积分数。

毛细管内流场的测量装置如图 2所示。

本文利用德国LaVision公司生产的Micro-PIV对水平放置的毛细管内水包油乳液的流动特性进行了观察和研究。在实验开始前, 配置好荧光示踪粒子溶液和水包油乳液。按比例将一部分示踪粒子溶液与水包油乳液混合。实验时, 首先开启双脉冲激光器的电源, 此时不可打开CCD相机, 以防激光损毁CCD相机的芯片, 导致设备损坏(通常在显微镜激光入口之前放置一遮挡物)。然后, 利用同步控制器和PIV软件控制激光器和CCD相机的开启。待含有荧光示踪颗粒的水包油乳液在毛细管内稳定流动后, 通过软件控制双脉冲激光器照亮毛细管中观察范围内的荧光示踪粒子, 并用CCD高速摄像机拍摄微通道内水包油乳液流动时的流场图像, 用软件记录下来。最后, 利用PIV软件对图像进行处理, 得到水包油乳液在毛细管内的矢量场分布。

实验中, 将毛细管固定在显微镜的载物台上, 利用注射泵将水包油乳液和荧光示踪粒子的混合溶液注入毛细管中, 并在出口处用烧杯收集实验过的溶液。通过改变注射泵的流量设置参数来调节水包油乳液进入毛细管的流量。

去离子水和导热油的物性参数如表 2所示。

利用GAMBIT软件对毛细管进行几何结构的绘制和网格划分, 如图 3所示。进行网格划分时, 采用六面体结构化网格。

本文利用FLUENT软件对玻璃毛细管内水包油乳液的流动进行模拟。将水包油乳液看做单相流, 在Re为1 000~5 000范围内进行计算。当Re为1 000~2 500时, 采用层流模型进行模拟计算; 当Re为3 000~5 000时, 采用k-ε模型进行计算。采用SIMPLE算法对无量纲控制方程进行求解, 动量方程采用二阶迎风格式, 以提高计算精度。因实验过程中不涉及能量的传递, 所以能量方程处于关闭状态。当残差小于10^-5时, 动量方程视为计算收敛。

进口条件设置为速度入口, 速度大小依据Re来确定。出口条件设置为压力出口, 壁面条件设置为无滑移边界条件。

实验所用的示踪粒子溶液中, 粒子材质为聚苯乙烯, 粒径为1 μm, 质量浓度为1%, 密度为1.05 g/cm³。粒子的密度与去离子水的密度相近, 因此被选为示踪粒子。示踪粒子在绿色激光的照射下发出红光, 其荧光光谱特性如下:激发波长为532 nm, 发射波长为610 nm, 满足实验要求。

(1) 去离子水和荧光示踪粒子混合溶液的配置将浓度为1%的荧光示踪粒子溶液按比例加入去离子水中, 配置成浓度为0.02%的水-悬浮颗粒混合溶液^[8], 再经过磁力搅拌10 min, 超声振荡15 min, 形成混合均匀的水-悬浮颗粒混合溶液。

(2) 水包油乳液和荧光示踪粒子混合溶液的配置将一定量的油和乳化剂按2:1的比例混合, 选用十六烷基三甲基溴化铵作为乳化剂。利用磁力搅拌8 min, 待混合均匀后, 缓慢加入去离子水^[9], 再经过磁力搅拌10 min, 超声振荡8 min后得到粗乳液。将粗乳液按照上述步骤重复处理一次, 即可制备出水包油乳液。将配置好的0.02%的示踪粒子溶液加入水包油乳液中, 经磁力搅拌超声振荡均匀后, 水包油乳液和荧光示踪粒子的混合溶液配置完成。

当Re=1 000时, 毛细管内沿管长方向不同位置处的速度矢量变化如图 4所示。由图 4可以看出, 在R₁和R₂两个弯管处, 弯管外侧壁处的速度矢量较集中, 速度值较大, 弯管处的离心力作用使得管内流体向弯管外侧壁聚集。由于R₁和R₂的弯管半径不同, 弯曲方向相反, 使得两处弯管截面的速度矢量场形态不一致。由弯管转为直管时, 由于离心力消失, 速度矢量逐渐向中间聚集, 且呈对称分布。当经过弯管R₂时, 由于离心力方向相反, 原先集中在R₁外侧壁的流体, 在离心力的作用下逐渐向R₂外侧壁聚集。当经过相当长的一段直管时, 速度矢量场趋于稳定, 呈上下对称式分布。当毛细管内流体充分发展时, 其速度矢量图呈现明显的层流形态。另外, 由于R₂ < R₁, 弯管半径越小, 速度越快, 流体所受到的离心力也就越大, 造成了速度矢量在R₂外侧壁处聚集明显比R₁多的现象。

图 5给出了毛细管下游距离进口320 mm处, 不同Re下流动充分发展后各截面上的速度矢量场。当毛细管内Re在1 000~2 000时, 毛细管内的平均速度为1.46~2.76 m/s。由图 5可以看出, 当1 000 < Re < 2 000时, 毛细管内的轴向速度近似呈抛物线分布, 与定常圆管层流的理论值^[10]接近。当Re=2 000时, 中心的最大速度可达3.93 m/s, 与1 000 < Re < 2 000的速度矢量图相比, 速度剖面变得更加饱满, 中心处的速度矢量偏离了抛物线分布。这说明流体的流动状态已由层流向湍流过渡。

采用水包油乳液测得的毛细管内充分发展段不同Re下的实验结果如图 6所示。横轴v表示轴向速度的大小, 纵轴x表示毛细管的直径。由图 6可知, 靠近毛细管壁面处速度很小, 接近于零; 管径中心处速度最大。当Re为1 000和1 500时, 轴向速度曲线近似呈抛物线分布; 当Re为2 000~2 500时, 管径中心处的速度剖面开始偏离抛物线分布, 中心速度开始变得平坦。这说明流体的流动状态已经开始由层流向紊流过渡。

图 7是毛细管内水包油乳液在相同测量截面上不同Re下的无量纲轴向速度分布图。其中, r/R表示无量纲坐标, v表示截面上每一层的平均速度, v_max表示截面中心处的最大速度。由图 7可以看出, 当流体质点在管中心时, 即r=0时, v/v_max=1;当流体质点在管壁附近时, 即r=0.8R附近时, v/v_max接近于零。随着Re的增大, 当Re在2 000左右时, 轴向速度分布与层流理论值^[10]较接近, 说明圆形截面毛细管内的临界转捩雷诺数约为2 000。

本文利用Micro-PIV测量了当量直径为0.7 mm, 长度为375 mm的圆形截面玻璃毛细管内水包油乳液在不同Re下的流场结构, 并将实验测得的结果与模拟结果相比较。结果显示, 两者结果较接近, 毛细管内从层流到紊流的转捩发生在Re=2 000左右, 与宏观尺度管内流动的临界雷诺数接近, 并未发现流动转捩提前的现象。