梁倩卿，卜億峰，門卓武，馬學(xué)虎

（1 北京低碳清潔能源研究院，北京 102209；2 大連理工大學(xué)化學(xué)工程研究所，遼寧 大連 116024）

微化學(xué)工程與技術(shù)，由于其熱質(zhì)傳遞速率快、安全性高、集成度高、可控性強(qiáng)、放大效應(yīng)小以及過(guò)程節(jié)能等優(yōu)勢(shì)[1-2]，在反應(yīng)或傳質(zhì)方面具有許多常規(guī)氣-液接觸設(shè)備不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此在氣體吸收、氣-液催化加氫、過(guò)氧化氫合成、直接氟化等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[3-5]。由于泰勒流有操作區(qū)間寬、軸向返混小、徑向混合好等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，近年來(lái)備受關(guān)注?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)液相流速來(lái)調(diào)控氣泡/液彈的尺寸，進(jìn)而控制傳質(zhì)[8-10]或傳熱[11]。微通道泰勒流的流動(dòng)特征為：氣泡與液彈在通道內(nèi)交替運(yùn)動(dòng)，氣泡幾乎占據(jù)整個(gè)通道界面，僅在氣泡與微通道壁間存在一層薄液膜用以連接兩個(gè)相鄰的液彈。在矩形或方形通道中，由于表面張力作用，氣泡與壁面間的角落中存在較大空間，部分液體經(jīng)此空間繞流過(guò)氣泡，形成泄漏流[12]。van Steijn 等[7]利用微觀粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（microscopic particle image velocimetry，μ-PIV）研究了氣泡生成過(guò)程中擠壓模式下氣泡周圍液體的流場(chǎng)分布，通過(guò)追蹤氣-液界面移動(dòng)速率，發(fā)現(xiàn)氣液界面附近的液體以較大的速度流入液膜區(qū)，大約有25%的泄漏流。Wong 等[13]很早就發(fā)現(xiàn)無(wú)黏、低速情況下的泄漏流正比于Ca-1/3。泄漏流不僅會(huì)影響氣泡的形成及流動(dòng)行為，還會(huì)影響傳質(zhì)過(guò)程。Yao 等[14]通過(guò)雙光路照明法觀測(cè)到懸浮顆粒在氣泡與壁面間的液膜內(nèi)流動(dòng)，證實(shí)了泄漏流的存在，發(fā)現(xiàn)液膜內(nèi)顆粒速度最高可達(dá)氣泡速度的10 倍，表明泄漏流對(duì)氣泡斷裂機(jī)制有重要的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏流隨系統(tǒng)壓力增加而增加。然后，該作者[15]對(duì)比考察了通道入口和主通道中泄漏流的特性，并給出了方形通道中泄漏流的量化方法。泄漏流的驅(qū)動(dòng)力源自氣泡兩端的Laplace 壓差，氣泡尾端附近液體被卷吸入氣泡與通道間液膜內(nèi)，然后從氣泡前端噴出。此過(guò)程中，液體速度可高達(dá)氣泡速度的數(shù)倍。液體從氣泡前端噴出后與內(nèi)循環(huán)流匯合，在循環(huán)流作用下向通道中心運(yùn)動(dòng)。經(jīng)此，相鄰液彈間發(fā)生物質(zhì)交換，增強(qiáng)軸向混合。泄漏流的產(chǎn)生可能會(huì)加快氣泡周圍液膜的更新進(jìn)而促進(jìn)傳質(zhì)，也可能會(huì)造成一定程度的返混而阻礙氣液相間傳質(zhì)，因此泄漏流的量化及其影響因素分析對(duì)氣液相傳質(zhì)的研究具有重大意義。由于泄漏流難以觀測(cè)和定量，目前，針對(duì)泄漏流的研究還很少。

本文設(shè)計(jì)了具有44個(gè)彎頭的矩形截面微通道，這樣可以有效消除氣泡形成及氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的產(chǎn)生壓力波動(dòng)[11,16]，以便在微通道中獲得穩(wěn)定的氣液兩相泰勒流。借鑒直形微通道中泄漏流的量化方法，本文獲得蛇形微通道中6個(gè)不同氣液相體系的凈泄漏流的量化方程，并考察了不同氣液相流量、液相物性（表面張力和黏度）和氣泡長(zhǎng)度對(duì)蛇形微通道主通道凈泄漏流的影響。

1 實(shí)驗(yàn)試劑及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

本實(shí)驗(yàn)采用的試劑包括無(wú)水甲醇（純度≥99.5%）、無(wú)水乙醇（純度≥99.7%）、正丙醇（純度≥99.5%）。液相試劑均由天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司提供，物理化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1[17-18]。混合氣體（CO2體積分?jǐn)?shù)為5%，N2體積分?jǐn)?shù)為95%）由大特氣體有限公司提供。這樣本文包括6個(gè)不同的氣液相體系，即CO2/N2混合物-H2O（簡(jiǎn)寫為CO2-H2O），CO2/N2混合物-2%（摩爾分?jǐn)?shù)）正丙醇水溶液（CO2-2%NPA），CO2/N2混合物-5%NPA 水溶液（CO2-5%NPA），這三個(gè)體系的液相黏度基本一致，表面張力逐漸減小，統(tǒng)稱為表面張力變化組；CO2/N2混合物-甲醇（CO2-MT），CO2/N2混合物-乙醇（CO2-EA）和CO2/N2混合物-丙醇（CO2-NPA）這三個(gè)體系的表面張力比較接近，黏度逐漸增加，統(tǒng)稱為黏度變化組。

表1 實(shí)驗(yàn)涉及的液相試劑物理化學(xué)性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及其精度

高速攝像儀，APX-RS 型，Photron（美國(guó)）；高壓恒流泵，P230p型，大連依利特分析儀器有限公司，精度為±0.5%；質(zhì)量流量控制器，北京七星華創(chuàng)電子有限公司，精度為±0.5%；電子微量天平，F(xiàn)A2004N 型，上海精密科學(xué)儀器有限公司，精度為0.1mg；壓差變送器，CCY13-X-08-A1-01-B-G 型，北京星儀傳感器技術(shù)有限公司，精度為±0.25%。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及流程

本實(shí)驗(yàn)采用的微通道入口為T 形，彎頭數(shù)為44 個(gè)，微通道總體厚度為2.2mm。橫截面（W×h）為600μm×300μm 的矩形，主 通道尺寸全長(zhǎng)為665mm，采用精密雕刻機(jī)加工并熱鍵合而成，如圖1(a)所示。

微通道氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[圖1(b)]主要包括微通道玻璃芯片、輸送液相的高壓恒流泵、氣相質(zhì)量流量控制計(jì)、氣-液兩相快速分離器、壓差變送器以及高速攝像等[19]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，液相從液體儲(chǔ)罐經(jīng)過(guò)過(guò)濾器、高壓恒流泵，從微通道的液相入口進(jìn)入微通道吸收器，氣相從高壓氣瓶依次通過(guò)減壓閥、質(zhì)量流量控制器，進(jìn)入微通道吸收器的氣相入口，氣液兩相在微通道吸收器內(nèi)進(jìn)行氣液兩相傳質(zhì)，完成吸收傳質(zhì)之后，出口的氣液兩相進(jìn)入氣液分離器。高速相機(jī)系統(tǒng)以1024×512像素的分辨率，速率為6000幀/秒，記錄微通道入口區(qū)域氣泡和液彈的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)范圍：0.001＜CaTP＜0.05，0.06＜WeTP＜9.0，18＜ReTP＜460，具體的氣相流量為1.0mL/min、2.0mL/min、3.0mL/min 和4.0mL/min，液相流量為0.25～4.0mL/min，實(shí)驗(yàn)工況為常壓下20℃。

圖1 微通道構(gòu)型及微通道流動(dòng)系統(tǒng)流程

1.4 數(shù)據(jù)處理

基于文獻(xiàn)結(jié)果[6,13,20-21]和高速攝像的可視化結(jié)果，提出了氣泡周圍液膜分布的物理模型，即氣泡的截面形狀。圖2中氣泡垂直方向上通道直角處的氣液相界面為1/4 圓弧，圓弧之間通過(guò)直線連接，高速攝像可視化圖片［圖2(b)］中氣泡周圍黑色區(qū)域是入射光遇到彎曲的氣液相界面反射的結(jié)果，I為1/4 圓弧的直徑［圖2(a)］。氣泡的兩端處理成半徑為（W/2-δ2）的半球冠，便于獲得氣泡和液彈的長(zhǎng)度以及泄漏流。任何情況下，與氣泡流動(dòng)垂直方向上的壁面液膜厚度δ1都固定為0.02dh。另外，與氣泡流動(dòng)平行方向上的壁面液膜厚度δ2可以通過(guò)圖片計(jì)算得到，見(jiàn)圖2(a)。每組實(shí)驗(yàn)分析至少10張圖像，以得出氣泡長(zhǎng)度（LB）和彈頭長(zhǎng)度（LS）的平均值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，高速攝像的一個(gè)像素點(diǎn)占7.5μm，至少需要2 個(gè)像素點(diǎn)才能檢測(cè)到氣泡的兩端，比如對(duì)于5mm 長(zhǎng)的氣泡，氣泡長(zhǎng)度的不確定度為0.3%[16]。記錄兩個(gè)相鄰氣泡斷裂的間隔時(shí)間即為氣泡的生成周期[6]。

借鑒文獻(xiàn)中方形通道中泄漏流的量化[15]，可知主通道凈泄漏流的表達(dá)式為式(1)。

式中，Vfilm為氣泡周圍液膜的體積；Vslug+Vfilm為一個(gè)單元內(nèi)（一個(gè)氣泡和一個(gè)液彈組成一個(gè)單元）的液體總量?；诰匦挝⑼ǖ乐械臍馀萁孛嫘螤钅Ｐ停▓D2），得到一個(gè)單元內(nèi)氣泡的體積VB為式(2)。

圖2 矩形微通道中氣泡截面形狀以及液膜厚度的分布情況和實(shí)驗(yàn)圖片

在矩形截面微通道的主通道中凈泄漏流的具體表達(dá)見(jiàn)式(3)。

2 結(jié)果與討論

泄漏流是液彈內(nèi)流體流動(dòng)的一種形式，源自氣泡兩端的Laplace 壓差，氣泡尾端附近液體被卷吸入氣泡與通道間液膜內(nèi)，然后從氣泡前端噴出，此過(guò)程中，液體速度可高達(dá)氣泡速度的數(shù)倍[2]。Fuerstman 等[22]證實(shí)有相當(dāng)量的液體從氣泡周圍流過(guò)，泄漏流使得氣泡的速度最大下降50%。Taylor[23]分析UB/jTP＞2時(shí)，液體會(huì)完全繞過(guò)氣泡通過(guò)與壁面間的縫隙流過(guò)。在無(wú)黏、低速情況下的泄漏流正比于Ca-1/3[13]，Taha 和Cui[24]發(fā)現(xiàn)Ca＞0.707 時(shí)，液彈內(nèi)循環(huán)流消失，液彈內(nèi)的液體流動(dòng)完全是泄漏流。Yao 等[15]在T 形微通道入口和主通道中觀察到了泄漏流，并且發(fā)現(xiàn)高液速或低氣速都產(chǎn)生短氣泡，有利于泄漏流。因此，泄漏流強(qiáng)烈依賴氣泡的截面形狀（氣泡周圍液膜的分布情況）、氣泡的長(zhǎng)度、流體的物理性質(zhì)和氣液相流速。在此，本文以氣泡截面形狀模型為基礎(chǔ)，對(duì)蛇形微通道主通道中的凈泄漏流進(jìn)行量化，并針對(duì)不同的氣液相體系，分別考察了氣液相流量、液相物理性質(zhì)和氣泡長(zhǎng)度對(duì)主通道中凈泄漏流的影響，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)蛇形微通道的泄漏流進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 氣液相流量對(duì)于泄漏流的影響

直形通道中，凈泄漏流隨著氣速的增加而減小，是因?yàn)楦咭核倩虻蜌馑佼a(chǎn)生短氣泡有利于泄漏流[15]，而在蛇形微通道中有所差異。圖3中，對(duì)于表面張力變化組或者黏度變化組，蛇形微通道中主通道的凈泄漏流量均隨著氣液相流量的增加而增加，但是隨著液相流量的增加，泄漏流增加幅度更加顯著，而氣相流量的增加對(duì)泄漏流的變化幾乎沒(méi)有影響，意味著在蛇形微通道中泄漏流對(duì)于氣相流量不敏感。在直形微通道中泄漏流從氣泡周圍流過(guò)，導(dǎo)致氣泡下游的液彈長(zhǎng)度在液彈生成后繼續(xù)增加，這樣可以減緩氣泡產(chǎn)生過(guò)程中的波動(dòng)[25]，有利于穩(wěn)定主通道中的流動(dòng)。而在蛇形微通道中，多個(gè)彎頭可以有效降低氣泡生成過(guò)程和輸運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的波動(dòng)，使得流動(dòng)更加穩(wěn)定[26]，因此氣速的增加對(duì)于泄漏流的作用并不顯著。給定一個(gè)氣液相體系，氣相流量相同時(shí)，主通道的凈泄漏流隨著液相流量的增加大體上呈線性增加趨勢(shì)，但是CO2-H2O體系的數(shù)據(jù)點(diǎn)比較散，線性度較差。對(duì)于表面張力變化組，隨著相流量的增加，CO2-H2O體系的主通道泄漏流增幅最為顯著，從0.031mL/min（QG為1.0mL/min，QL為0.25mL/min）增加到1.014mL/min（QG為3.0mL/min，QL為4.0mL/min），泄漏流占對(duì)應(yīng)液相流量的體積分?jǐn)?shù)從12.40%增至25.36%，此結(jié)果與van Steijn 等[7]利用μ-PIV 實(shí)驗(yàn)估算10%～25%的泄漏流比較接近。而表面張力變化組的另外兩個(gè)體系，CO2-2%NPA和CO2-5%NPA對(duì)應(yīng)的泄漏流最大值分別為0.71mL/min（QG為3.0mL/min，QL為3.0mL/min）和0.73mL/min （QG為4.0mL/min，QL為2.5mL/min），對(duì)應(yīng)的泄漏流占23.67%和29.2%。CO2-H2O、CO2-2%NPA 和CO2-5%NPA 體系，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)（QG為1.0～4.0mL/min，QL為0.25～4.0mL/min），對(duì)應(yīng)的平均泄漏流分別占17.7%、21.5%和18.36%。對(duì)于黏度變化組，CO2-MT、CO2-EA 和CO2-NPA 體系的最大泄漏流分別為1.75mL/min（QG為4.0mL/min，QL為4.5mL/min）、1.65mL/min （QG為4.0mL/min，QL為4.0mL/min）和1.14mL/min（QG為3.0mL/min，QL為2.5mL/min）；實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的平均泄漏流分別占25.7%、21.8%和14.9%。

圖3 不同氣液相體系主通道中的凈泄漏流量隨著液相流量的變化情況

實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)（QG為1.0～4.0mL/min，QL為0.25～4.0mL/min），表面張力變化組或者黏度變化組對(duì)應(yīng)的主通道泄漏流都集中在10%～30%之間，而直形微通道[15]中，實(shí)驗(yàn)操作范圍（QG為0.3mL/min、0.6mL/min、0.9mL/min，QL為0.10～1.4mL/min）主通道的泄漏流在0～30%之間?？芍谏咝挝⑼ǖ乐?，在較寬的實(shí)驗(yàn)操作區(qū)間（QG為1.0～4.0mL/min，QL為0.25～4.0mL/min）內(nèi)，得到較窄的泄漏流區(qū)間（10%～30%），說(shuō)明蛇形微通道比直形通道更有利于對(duì)主通道泄漏流的控制。

2.2 液相物性對(duì)泄漏流的影響

本文主要考察表面張力和黏度對(duì)于主通道凈泄漏流的影響，如圖4 所示，通過(guò)比較圖4(a)和圖4(b)，發(fā)現(xiàn)表面張力對(duì)于泄漏流的作用更為顯著。從圖4(a)中看出，在較低氣相流量時(shí)（QG為1.0mL/min）表面張力對(duì)于泄漏流沒(méi)有影響。當(dāng)氣相流量為2.0mL/min、3.0mL/min 和4.0mL/min 時(shí)，表面張力對(duì)于泄漏流的作用相對(duì)比較顯著，尤其對(duì)于CO2-H2O體系，QG為2.0mL/min，QL為3.0mL/min，對(duì)應(yīng)的主通道凈泄漏流（0.83mL/min，占27.7%）明顯高于CO2-2%NPA（0.58mL/min，占19.4%），主要是由于水的表面張力（72.2mN/m）大于2%正丙醇水溶液的表面張力（41.8mN/m），泄漏流的驅(qū)動(dòng)力源自氣泡兩端的Laplace 壓差（Δp），即

圖4 液相物理性質(zhì)對(duì)于主通道凈泄漏流量的影響

Δp=4σ(-cosθa+cosθr)/dh[27]。θa和θr分別為氣泡前端的前進(jìn)角和氣泡尾端的后退角，對(duì)于本文中涉及的所有實(shí)驗(yàn)體系，3π/2＜θ＜π，cosθr均小于0 且?guī)缀醪蛔?，隨著液相表面張力的增大，θa會(huì)減小，-cosθa越大，意味著表面張力越大，氣泡兩端的Laplace壓差越大，氣泡尾端會(huì)有越多的液體被液膜抽吸進(jìn)去，并從氣泡前端噴出，這樣泄漏流會(huì)增大。簡(jiǎn)而言之，就是表面張力增大，泄漏流會(huì)增加，故此時(shí)CO2-H2O 體系主通道的凈泄漏流會(huì)增大。這與文獻(xiàn)[15]的規(guī)律是相反的，文獻(xiàn)中加入的表面活性劑改變了氣液界面的形態(tài)，而弱化了表面張力的作用。當(dāng)氣相流量為3.0mL/min，主通道凈泄漏流大小為CO2-2%NPA＞CO2-H2O＞CO2-5%NPA，三個(gè)體系對(duì)應(yīng)的We數(shù)范圍分別為1.6～3.5、0.9～2.34、1.8～4.0；當(dāng)氣相流量為4.0mL/min，主通道凈泄漏流大小為CO2-5%NPA＞CO2-2%NPA＞CO2-H2O，此時(shí)三個(gè)體系對(duì)應(yīng)的We數(shù)范圍分別為3.4～4.8、3.0～4.7、1.7～3.1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液相表面張力小的體系，反而主通道凈泄漏流較大，可能是表面張力和慣性力協(xié)同作用導(dǎo)致的結(jié)果。在表面張力作用下，矩形或者方形通道的邊角效應(yīng)使得氣泡與壁面間的角落里存在較大空間，有利于產(chǎn)生泄漏流[12]。通過(guò)Yao 等[6]研究可知，矩形通道中慣性作用導(dǎo)致液膜厚度顯著增加，當(dāng)We＞3.1 時(shí)，氣泡會(huì)與壁面會(huì)產(chǎn)生明顯的分離，氣泡變得更纖細(xì)，同時(shí)氣泡與矩形通道的壁面間的角落里存在的空間會(huì)進(jìn)一步增大，會(huì)促進(jìn)泄漏流，說(shuō)明表面張力和慣性作用對(duì)于泄漏流的影響存在競(jìng)爭(zhēng)，因此會(huì)出現(xiàn)液相表面張力減小但泄漏流仍然增大的現(xiàn)象。

CO2-MT 體系、CO2-EA 體系和CO2-NPA 體系在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的主通道平均凈泄漏流分別為25.7%、21.8%和14.9%，結(jié)果表明隨著黏度的增加，平均泄漏流會(huì)減小。當(dāng)氣相流量為1.0mL/min、2.0mL/min和3.0mL/min時(shí)，液相的黏度對(duì)于矩形微通道內(nèi)主通道凈泄漏流幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)氣相流量為4.0mL/min、QL≤2.0mL/min 時(shí)，CO2-NPA 體系的泄漏流明顯低于CO2-MT 體系和CO2-EA 體系，同時(shí)當(dāng)QL＞2.0mL/min時(shí)，泄漏流將不存在。這與Yao等[15]的研究結(jié)果一致，增大液相黏度可以有效減小泄漏流[13]，與微通道中心區(qū)域相比，直角處液體受到更大的黏性力作用，而此時(shí)高黏度的正丙醇（正丙醇的黏度大約為甲醇的4倍、乙醇的2倍）使得泄漏流的阻力增加更為顯著，液體難以從氣泡周圍流過(guò)，使得泄漏流會(huì)減少，甚至出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的泄漏流消失的情況。同時(shí)，隨著黏度的增大，氣泡更容易偏離微通道的壁面（氣泡偏離壁面的難易程度為CO2-MT＜CO2-EA＜CO2-NPA，見(jiàn)圖5，圖片周圍有虛線的表示氣泡已經(jīng)偏離微通道的壁面），意味著高黏度的正丙醇的液膜厚度顯著增加，加劇了泄漏流的流動(dòng)阻力，故當(dāng)液相流量大于2.0mL/min 時(shí)，CO2-NPA體系泄漏流消失。

圖5 黏度變化體系的氣泡形狀變化與偏離壁面情形

2.3 氣泡長(zhǎng)度對(duì)于泄漏流的影響

在泄漏流的量化過(guò)程中，已經(jīng)考慮了微通道截面形狀的影響，前面兩節(jié)分析了氣液相流量和流體物理性質(zhì)對(duì)于泄漏流的影響，故在此重點(diǎn)分析氣泡長(zhǎng)度對(duì)于泄漏流的影響。如圖6所示，不同的氣液相體系中，矩形微通道主通道的泄漏流流量均隨著氣泡長(zhǎng)度的增加而降低。氣泡長(zhǎng)度越短，泄漏流越大，這與直形通道的泄漏流結(jié)果一致[15]。當(dāng)氣泡長(zhǎng)度LB＜0.5mm（LB/W＜0.83）時(shí)，隨著氣泡長(zhǎng)度的增加，泄漏流下降幅度非常顯著，從1.75mL/min 下降到0.5mL/min；當(dāng)氣泡長(zhǎng)度0.5＜LB＜2.0mm（0.83＜LB/W＜3.33）時(shí)，隨著氣泡長(zhǎng)度的增加，泄漏流流量下降幅度減小，從0.5mL/min下降到0.06mL/min；當(dāng)氣泡長(zhǎng)度LB＞2.0mm（LB/W＞3.3）時(shí)，隨著氣泡長(zhǎng)度的增加，泄漏流幾乎為零。

圖6 氣泡長(zhǎng)度對(duì)于主通道中的凈泄漏流量的影響

本實(shí)驗(yàn)涉及的6 個(gè)氣液相體系中，其中5 個(gè)體系CO2-H2O、CO2-2%NPA、CO2-5%NPA、CO2-EA和CO2-NPA，主通道中的泄漏流與氣泡長(zhǎng)度在數(shù)值上遵循關(guān)系式Qnet-leak=2.61exp(-2.61LB)，但是CO2-MT體系除外，其主通道凈泄漏流與氣泡長(zhǎng)度在數(shù)值上遵循Qnet-leak=0.041+2.61exp(-1.50LB)。對(duì)于CO2-MT體系，隨著氣泡長(zhǎng)度的增加，當(dāng)氣泡長(zhǎng)度LB＜1.0mm（LB/W＜1.67）時(shí)，泄漏流流量下降幅度比較顯著，從1.74mL/min下降到0.65mL/min；當(dāng)氣泡長(zhǎng)度1.0＜LB＜2.5mm（1.67＜LB/W＜4.17）時(shí)，泄漏流流量下降幅度減緩，從0.65mL/min下降到0.1mL/min；當(dāng)氣泡長(zhǎng)度LB＞2.5mm（LB/W＞4.17）時(shí)，隨著氣泡長(zhǎng)度的繼續(xù)增加，泄漏流消失。從圖5也可看出，氣泡越短，越容易偏離微通道的壁面，這樣在矩形微通道中，氣泡與通道之間存在的空間越來(lái)越大，容易產(chǎn)生泄漏流。但是液彈內(nèi)的液體流經(jīng)氣泡周圍時(shí)，與氣泡、微通道的壁面和液膜之間都會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此存在流動(dòng)阻力，而流動(dòng)阻力與氣液相界面的形態(tài)、微通道壁面粗糙度或壁面潤(rùn)濕情況、液相的黏度都有著密切的關(guān)系。CO2-MT 體系的主通道凈泄漏流超過(guò)其他5個(gè)體系，并且隨著氣泡長(zhǎng)度的增大，差距越來(lái)越小。原因是氣泡長(zhǎng)度相同，微通道的壁面潤(rùn)濕情況也相同的情況下，甲醇的黏度較低（與其他液相存在數(shù)量級(jí)的差異，見(jiàn)表1），液彈中有更多的液體流經(jīng)氣泡，隨著氣泡長(zhǎng)度的增加，流動(dòng)阻力也逐漸增加，泄漏流會(huì)逐漸減小，在此推斷流經(jīng)氣泡周圍的液體流動(dòng)不均勻，即泄漏流存在著速度分布，其速度沿著氣泡長(zhǎng)度方向遞減。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于表面張力變化組或者黏度變化組，氣相流量相同時(shí)，主通道的泄漏流流量隨著液相流量的增加呈線性增長(zhǎng)，但是對(duì)氣相流量的變化并不敏感。與直形微通道相比，蛇形微通道在較大的操作區(qū)間內(nèi)（QG為1.0～4.0mL/min,QL為0.25～4.0mL/min），可將泄漏流控制在10%～30%，明顯優(yōu)于直形微通道對(duì)泄漏流的控制。

（2）QG＜2.0mL/min，表面張力和黏度對(duì)泄漏流影響不大；QG＞2.0mL/min時(shí)，表面張力越小，泄漏流越顯著，黏度和慣性作用力均會(huì)影響泄漏流。高黏度體系氣泡周圍液膜較厚，液彈內(nèi)液體流經(jīng)液膜處的阻力較大，導(dǎo)致泄漏流下降；低黏度體系受慣性作用影響會(huì)使得氣泡變纖細(xì)，氣泡與壁面間的角落空間增大，有利于泄漏流。

（3）與直形通道相同，蛇形微通道的主通道內(nèi)泄漏流流量也會(huì)隨著氣泡長(zhǎng)度的增加而降低。對(duì)于給定的氣液相體系，當(dāng)氣泡長(zhǎng)度LB/W＜0.83 時(shí)，泄漏流下降幅度最為顯著；當(dāng)氣泡長(zhǎng)度0.83＜LB/W＜3.33 時(shí)，泄漏流下降幅度不大；當(dāng)氣泡長(zhǎng)度LB/W＞3.3時(shí)，泄漏流幾乎消失。另外，CO2-MT體系由于液相黏度較低，其主通道凈泄漏流遠(yuǎn)高于其他5個(gè)體系，同時(shí)此差距會(huì)隨著氣泡長(zhǎng)度的增加而逐漸縮小。

符號(hào)說(shuō)明

AB—— 氣泡橫截面的面積，m2

ACH—— 微通道橫截面面積，m2

Ca—— Capillary數(shù)，Ca=μu/σ

CaTP—— 基于氣液兩相流速的Capillary數(shù)

dh—— 水力學(xué)直徑，m

h—— 微通道矩形截面的深度，m

j—— 表觀流速，m/s

L—— 長(zhǎng)度，mm

Δp—— Laplace 壓差，mN/m

Q—— 流量，m3/s

Qnet-leak—— 主通道凈泄漏流，mL/min

Re—— Reynolds數(shù)，Re=ρdu/μ

ReTP—— 基于氣液兩相流速的Reynolds數(shù)

T—— 氣泡生成的周期

UB—— 氣泡速度，m/s

V—— 體積，m3

W—— 矩形微通道寬度，m

We—— Weber數(shù)，We=ρj2dh/σ

WeTP—— 基于氣液兩相流速的Weber數(shù)

δ—— 液膜厚度，μm

μ—— 黏度，mPa·s

ρ—— 密度，kg/m3

σ—— 表面張力，mN/m

下角標(biāo)

a—— 氣泡前端的前進(jìn)角

B—— 氣泡

C—— 連續(xù)相

film—— 液膜

G—— 氣相

L—— 液相

r—— 氣泡尾端的后退角

S—— 液彈

TP—— 兩相流