Экспериментальное исследование двухфазного течения жидкостей в цилиндрическом капилляре

Вестник ТюмГУ. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика.


Выпуск:

2017. Том 3. №4

Название: 
Экспериментальное исследование двухфазного течения жидкостей в цилиндрическом капилляре


Для цитирования: Велижанин А. А. Экспериментальное исследование двухфазного течения жидкостей в цилиндрическом капилляре / А. А. Велижанин, О. А. Симонов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2017. Том 3. № 4. С. 82-98. DOI: 10.21684/2411-7978-2017-3-4-82-98

Об авторах:

Велижанин Артем Александрович, аспирант, Институт криосферы Земли СО РАН; artem.velizhanin@mail.ru

Симонов Олег Анатольевич, кандидат физико-математических наук, заместитель директора, Тюменский научный центр СО РАН; старший научный сотрудник, Тюменский государственный университет; s_o_a@rambler.ru

Аннотация:

Задачи, связанные с движением вязких жидкостей в капиллярах при низких числах Рейнольдса, актуальны вследствие развития нанотехнологий в электронике, медицине и прочих областях человеческой практики. Но результаты многочисленных экспериментальных исследований таких течений свидетельствуют о неудовлетворительном совпадении с их теоретическим описанием. При наличии в потоке второй фазы движение еще более усложняется, что многократно увеличивает трудности теоретического моделирования.

Целью настоящей работы является получение количественных экспериментальных данных об однофазных течениях воды и масла в цилиндрическом капилляре при низких числах Рейнольдса, а также о процессе замещения одной жидкости другой. В экспериментах производились измерения перепада давления и массы прошедшей через капилляр жидкости, выполнялась фото- видео- фиксация движения фронтов вытеснения в широком диапазоне чисел Рейнольдса (0,002 < Re < 500).

Установлено, что при однофазном течении движение жидкости в условиях проведенного эксперимента никогда не является стационарным, и его основные параметры не совпадают с теоретически предсказанными. Выявлены и описаны характерные этапы течения при замещении одной жидкости другой. Вытеснение масла водой происходит в «поршнеобразном» режиме, граница масло-вода имеет сферическую форму и после ее прохождения на стенках капилляра остается масляная пленка. Описаны особенности поведения пленки при однофазном течении воды. При вытеснении воды маслом режим течения с однозначно выраженной границей не реализуется, в потоке наблюдаются многочисленные капли и перемычки. Отмечено, что наличие масляной пленки на поверхности капилляра приводит к увеличению расхода жидкости через него.

Список литературы:

  1. Ребров Е. В. Режимы двухфазного течения в микроканалах / Е. В. Ребров // Теоретические основы химической технологи. 2010. Том 44. № 4. С. 371-383.
  2. Baomin D. Effect of Surface Roughness on Liquid Friction and Transition Characteristics in Micro- and Mini-Channels / D. Baomin, L. Minxia, M. Yitai // Applied Thermal Engineering. 2014. No 67. Pp. 283-293.
  3. Dai Z. Experimental Study of Transient Behaviour of Laminar Flow in Zigzag Semi-Circular Microchannels / Z. Dai, Z. Zheng, D. F. Fletcher, B. S. Haynes // Experimental Thermal and Fluid Science. 2015. Vol. 68. Pp. 644-651. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2015.07.001
  4. Fluid Mechanics Third Edition / edited by F. M. White. McGraw Hill, New York, 2006.
  5. Gunther A. Multiphase Flow / A. Gunther, T. Kreutzer // Micro Process Engineering: A Comprehensive Handbook. 2013. Vol. 1. Pp. 1-40.
  6. Hartnett J. P. Heat Transfer to Newtonian and non-Newtonian Fluids in Rectangular Ducts / J. P. Hartnett, M. Kostic // Advances in Heat Transfer. 1989. Vol. 19. Pp. 247-356. DOI: 10.1016/S0065-2717(08)70214-4
  7. Papautsky I. A Review of Laminar Single-Phase Flow in Microchannals / I. Papautsky, T. Ameel, A.B. Frazier // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. 2001. Vol. 2. Pp. 3067-3075.
  8. Pelevi N. Heat Transfer and Pressure Drop in Microchannels with Random Roughness / N. Pelevi, Th. H. van der Meer // International Journal of Thermal Sciences. 2016. Vol. 99. Pp. 125-135. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2015.08.012
  9. Sharp K. V. Liquid Flows in Microchannels / K. V. Sharp, R. J. Adrian, J. G. Santiago, J. I. Molho // MEMS: Background and Fundamentals. 2005. Chapter 10. Pp. 1-45.
  10. Teng J. T. Fluid Dynamics in Microchannels / J. T. Teng, J. C. Chu, C. Liu, T. Xu, Y. F. Lien, J. H. Cheng, S. Huang, S. Jin, T. Dang, C. Zhang, X. Yu, M. T. Lee, R. Greif; edited by L. H. Juarez // Fluid Dynamics, Computational Modeling and Applications. 2012. Chapter 17. Pp. 403-437. DOI: 10.5772/28336