采用可视化手段研究了水力直径为2.5 mm的正方形小通道内蔗糖-氮气、羧甲基纤维素钠 (CMC)-氮气、水-氮气和水力直径为1.0 mm的正方形小通道内蔗糖-氮气的垂直绝热上升流动， 对其流型、压降进行了实验采集.实验中的典型流型有:弹状流、搅拌流和环状流.通过大量的数据 得到了各个溶质的流型转变图和压降曲线，非圆截面小通道对各种流型的流动机理进行了分析，着重对黏弹性对于 流动的影响进行了研究.通过水力直径为2.5 mm的小通道内蔗糖-氮气、CMC-氮气和水-氮气流 型的对比，总结了流体的黏弹性、流量对于流型转变的影响.对不同水力直径时的蔗糖-氮气流型进 行对比研究，总结了流体水力直径、表面张力等因素对于流型转变的影响，同时在水力直径为1.0 mm的小通道内发现了明显的二次流动现象.实验证实Chisholm方法对于非牛顿流体的压降处理 已不再适用.
分别研究了水力直径Dh = l，2 mm的水 平、垂直小矩形通道内的空气-水两相流动的流型， 测量了含气率和界面浓度.文献[3-5]将圆管通道和 非圆管通道内的两相流动现象(包括流型转变、含气 率、压降等)进行了对比分析，总结其影响因素并提 出了相应的实验关联式.Satitchaicharoen[6]对几种 不同尺寸的小间距矩形通道垂直上升两相流动进行 了研究，分析了间距尺寸、通道宽度和液体黏度对流 型转变的影响.Hibiki等人[7]对Dh = l. 02 mm的小 管内垂直上升发展泡状流的空隙率、泡状平均直径、 泡状数密度、截面浓度等物理参数进行了测量. Kawahara等人[8]实验研究了流体物性对水平圆管 小通道内两相流特性的影响，分析了气泡速度、空隙 率和压降对气-液两相流动的影响.
已有文献对圆形截面、矩形窄缝和非圆形截面 (三角形、正方形、梯形等)小通道中的不同溶液的两 相流动流型、压降以及换热系数等进行了实验研究 和理论分析.本文对非圆形截面小通道内高黏性(质 量分数为50%的蔗糖)和黏弹性(质量分数为0. 4% 的CMC)溶液的气-液两相流动进行研究，探究了黏 弹性、表面张力等物性对于实验的影响.
1实验系统
本实验在图1所示的两相流实验台上完成.气 体由高压氮气瓶提供，流经稳压阀、调节针阀、热式 气体质量流量计后进人实验段.在调节针阀与实验 段之间装有单向止回阀，以防止因实验段中液路压 力过大而导致的液体流人气路损坏气体流量计.储 液罐内溶液经氮气瓶高压氮气加压，流经针阀、过滤 器、调节阀、转子流量计后进人实验段，随后气液混 合溶液从实验段流出返回开口的储液罐，实验系统 中流量计采用并联布置，一路工作，其余各路保持 关闭.
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实验段材料为具有良好透光性的有机玻璃，便 于流型拍摄和捕捉.实验段流动通道截面为正方形， 其结构见图2,参数见表1.
表1实验段结构参数
边长/mmDh /tnm取压段长度/mm
1.01.0200
2.52.5200
实验采用数码摄像机实现可视化，通过VMTV 视频捕捉软件将数码摄像机拍摄的图像传递到计算 机，捕捉存储瞬态的图像和动态的录相.实验结果分 析选取的工况及其参数如表2所示，
图2实验段结构示意图 表2实验工况和参数
工况表观气速几/m • s—1表观液速九/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正方形小通道内两相流动实验结果 与分析
2.1 ft =2.5 _时不同性质溶液-氮气的两相流型
实验拍摄了 Dh=2. 5 _的正方形截面小通道 内水-氮气的两相流型如图3所示，随着表观速度的 增大，共获得了 3种流型:弹状流、搅拌流和环状流.
实验中所用蔗糖溶液属于牛顿流体.蔗糖溶液 在20 •(：条件下对应的密度为1. 229 57 g/mL，黏度 为15. 845 4 mPa • s[1°]，其在低液速、低气速下呈现 弹状流型，弹头和弹尾为半球状，其中弹头比水-氮 气的尖，但比CMC的平，这是由于溶液在低速条件 下黏度比CMC小、比水大而导致的结果.在液速较 低的情况下，蔗糖溶液出现了弹环状流.这是因为蔗 糖溶液的高黏性使得液膜比较稳定，气弹很难破碎， 在黏性力和表面张力的共同作用下，气弹直接首尾 相连而过渡到环状流.
2.2认=2.5 mm时不同性质溶液-氣气的流型转变
Dh=2. 5 mm时3种不同性质溶液的流型转变 如图6所示.可以看出，不同工质的转变界限有所不 同，下面对不同溶液的流型转变进行分析.
(1)水和蔗糖溶液流型转变对比分析.在低表观 液速下，两种溶液的流型转变走向基本相同,蔗糖溶 液在低液速下的搅拌流区域较水的小.在较高的液 速下，蔗糖溶液弹状流区域减小，在A〉1 m/s的 低气速工况已经不再出现弹状流.其原因是蔗糖溶 液的黏性很高，低速情况下两相流动更为稳定，因而 搅拌流型区更小.液速增大到一定值后，气弹和液弹 的交替上升，使得气弹尾部受到大的剪切力，黏性越 大剪切力越大，因而转化为搅拌流的气速比水所需 的小.
(2)CMC和蔗糖溶液流型转变对比分析.CMC 溶液不仅有黏性，还有弹性，具有剪切稀化特性，而 蔗糖溶液只具有高黏性.低液速下CMC的弹状流- 搅拌流和搅拌流-环状流转变曲线比蔗糖的向右弯 曲，这是因为低液速下CMC的黏性要比蔗糖的大 得多.随着液速的增大，蔗糖的弹状流-搅拌流转变 界限比CMC的向右弯曲，这是因为随着液速的增 加,CMC的剪切稀化作用使其黏性逐渐减小，从而 导致蔗糖在高液速区搅拌流的区域比CMC的 更宽.
2.3不同水力直径时蔗糖-氮气的两相流型
为进一步探索水力直径、表面张力等物性对黏 性流体的影响，研究了 Dh = l. 〇mm的正方形小通 道内蔗糖-氮气的两相流动.图7为认=2. 5,1.0 mm时蔗糖-氮气流型转变对比图，其中两者的流型 转变走势基本相同，但界限转折点不同.弹状流-搅 拌流以及搅拌流-环状流的界限随着水力直径的减 小均向右移动，这是由于水力直径不同时，相界面的 变化受到了影响.一方面，由于搅拌流的产生是流体 湍流引起的，在相同速度下，水力直径越小越 小，因而在同一液速下，搅拌流转化所需气速也就更 大.另一方面，小尺度使表面张力作用增强，液弹不 易破碎，两相界面更易维持，因此1.0 mm通道中弹 状流和环状流的区域明显大于2. 5 mm通道的.
2.4 A>=2. 5 _时不同性质溶液-氮气两相摩擦 压降
图8为水、蔗糖、CMC 3种工质分别在所给定 液速下的压降A办对比图，对其进行分析如下.
(1)低液速时，3者的压降差别比较大，而在较 高液速时压降差别减小.由于液速较低时3种溶液 的气液两相的摩擦压降黏性起主要作用，CMC和蔗 糖都具有高黏性，因而其压降远高于水的.另外，低 气速时CMC的压降高于蔗糖溶液的，而高气速时 蔗糖溶液的压降高于CMC的.这是因为气速的增 大带动了 CMC溶液的剪切稀化作用，使其黏性减 小，压降增长减小.
(2)髙液速时，同一表观气速下蔗糖的两相压降 最高，CMC次之，水最低.这是因为速度较高时，对 于CMC而言，其分子已经充分伸展，达到极限剪切 黏度，弹性消失，这时CMC的流动规律和液体单相 流动时相同，流动特性比较稳定.
对不同性质溶液-氮气两相流体的压降特性采 用Chisholm方法进行分析，发现对于牛顿流体溶液 水和蔗糖，其数据符合较好，而对于非牛顿流体 CMC溶液，如图9所示，Chisholm方法已经不适 用，应寻求一种新的处理方法.
2.5不同水力直径时蔗糖-氮气两相摩擦压降在小通道内，通道的尺寸、形状对于流体的表面 张力、二次流动等现象的影响一直是人们不断探索 研究的对象[46，11].图10为高黏性蔗糖溶液在不同
水力直径、不同流速下的压降对比图，通过分析可以 得出以下结论.
(1)在同一表观气速下，2. 5 mm通道的压降明 显大于1.0 mm通道的.这是因为水力直径越小所 对应的Re越小，从而所得的压降越小.
(2)在不同水力直径的小通道内，随着气速增 加，其压降的增加趋势是相似的，然而在一定表观气 速范围内，随着表观液速的增大，1.0 mm通道内压 降的增长比2. 5 mm通道缓慢，两者的差值逐渐增 大.同时，在1.0 mm通道内出现了明显的二次流动 现象.
图10正方形小通道内蔗糖-氮气两相摩擦压降
3结论
本文通过可视化实验观察正方形通道内不同性 质溶液-氮气的两相流型，得到以下结论.
(1)通过£^=2. 5 mm的正方形通道内不同性 质溶液-氮气两相流动的可视化实验研究，获得了不 同性质溶液-氮气的流型图及其流型转变图，并对其 影响因素进行了分析，研究结果对工程应用具有一 定的参考价值.
(2)通过对Dh = l. 0 mm的正方形通道内蔗糖-
氮气两相流动的研究，获得了= 2. 5,1.0 mm的
通道内流型转变对比图，研究了水力直径对高黏性 流体流型转变的影响，同时发现Dh = l. 0 mm的通 道内存在明显的二次流动现象.
(3)分析对比了 Dh = 2. 5 mm 和 Dh = l. 0 mm 通道内的两相摩檫压降，发现Chisholm方法对于非 牛顿流体的压降处理已不再适用.
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