《European Journal of Mechanics - B/Fluids》：Effect of bend radius on gas slug formation mechanisms in air–water two-phase flow within a horizontal minichannel T-junction
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本研究通过实验探究了水平矩形丙烯酸T形通道中不同弯道半径（r/Dh=0.5,0.7,1.0）对气液两相流初始气泡形成的影响，发现弯道半径增大会增强涡流强度，加速气泡生长并降低气泡长度，同时影响压力波动模式。提出基于Strouhal数（St）和毛细管数（Ca）的非量纲关联式预测气泡频率，并通过人工神经网络验证了91.5%的吻合度。确定三种流动模式（剪切流SR、挤压流SQR、剪切-滴落流SDR）的形成机制与半径关系。
作者：Untung Surya Dharma、Syaiful Tambah Putra Ahmad、Indarto、Deendarlianto
单位：印度尼西亚日惹Gadjah Mada大学机械与工业工程系，地址：Jl. Grafika No. 2, Kampus UGM, Yogyakarta 55281
摘要
T型接头的弯曲半径通过改变接头下游的速度分布，显著影响局部流动动力学。较大的弯曲半径可以减少局部涡流，加速均匀流动的发展，并改变初始气体团块形成的机制。本研究探讨了弯曲半径对矩形亚克力T型接头微通道中初始气体团块形成的影响，该微通道的液压直径（Dh）为1.6毫米，弯曲半径比（r/Dh）分别为0.5、0.7和1.0。实验中使用了空气和水作为工作流体。水的表面速度（Jl）范围为0.626至3.186米/秒，空气的表面速度（Jg）范围为0.593至2.371米/秒。通过每秒15,000帧的高速成像技术分析流动形态，并以15,000赫兹的频率记录压力波动。研究识别出三种不同的流动模式：剪切模式（SR）、剪切-滴落模式（SDR）和挤压模式（SQR），每种模式都有其独特的阶段序列和压力波动特征。在SR和SDR模式下，气体团块的形成过程包括缩颈、填充和断裂三个阶段；而在SQR模式下，形成过程包括压力积累、填充和挤压三个阶段。结果表明，增加弯曲半径比（r/Dh）会提高气体团块的生长速度（Us）和频率（fr），同时缩短气体团块的长度（Ls）。提出的无量纲关联式Us/J7能够以平均绝对百分比误差（MAPE）±5%的精度预测实验结果。此外，通过斯特劳哈尔数（St）-毛细数（Ca）框架对频率fr进行了推广，这突显了粘性-毛细动力学和几何形状对气体团块形成的综合影响。基于实验观察和人工神经网络（ANN）预测构建的流动模式图显示，在所有弯曲半径比（r/D5）范围内，预测结果的一致性高达91.5%。这项工作提供了实验证据，证明弯曲半径控制着气体团块的初始形成过程，为化学和生物医学应用中的多相流控制提供了设计指导。
引言
在具有较小液压直径的微通道中，气液两相流动已广泛应用于先进技术系统，如热交换器[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、医疗设备[6]以及化学反应过程[7]。在化学反应中，T型接头常用于混合或分离不同相。当流体通过T型接头时，不均匀的相分布会产生多种流动模式，其中之一就是气体团块流动。由于表面张力和粘度的影响，随着通道直径的减小，气体团块流动在宏观、微观和纳米通道中都更为常见[9]。两种相的表面速度也会影响流动模式的形成，在大尺寸和小尺寸的T型接头中观察到了相似的趋势[10]。
在T型接头中，初始气体团块形成的频率明显高于直通道[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。然而，T型接头处气体团块形成的具体机制尚未完全明了。由于实验条件、模型和分析参数的差异，不同研究得出的机制也有所不同。在直管道中，气体团块通常是在气体相加速到稳定平移速度时形成的[16]。而在T型接头中，气体团块主要是在流动不稳定性加剧的情况下形成的，这种不稳定性因接头尺寸较小和液体速度较高而更为显著。稳定的、平衡的流动条件很少会产生气体团块[14]。还有一些研究报道了其他过渡流动模式，例如气体团块-环状流动[17]。
T型接头的几何形状对气体团块的形成机制有显著影响[11]、[12]、[15]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。Nayak等人[12]观察到了挤压和滴落模式，而Yamamoto和Ogata[15]则发现了挤压、滴落和稳定模式。Santos和Kawaji[13]观察到了断裂、喷射和断裂-喷射模式。几何形状的影响还体现在横截面形状和长宽比上，这些因素决定了团块和气泡的尺寸、速度和出现频率[18]。他们强调，在气体团块流动中，液膜厚度对通道几何形状、表面张力和流动条件非常敏感，但尚未系统研究弯曲半径对气体团块形成的影响。Mishra等人[20]通过实验表明，改变气体-液体流动中的弯曲半径、液膜厚度以及气体团块和环状流动之间的转变，突显了接头弯曲附近局部加速度和剪切条件的重要性。
此外，Sun等人[22]指出，微通道T型接头中的流动模式转变受到表面速度和毛细效应相互作用的影响，但他们没有将弯曲半径作为控制参数纳入考虑。Etminan[18]和Sankepally[21]的数值研究探讨了在不同边界条件下的多相流动行为，从而扩展了理解范围，但在弯曲半径的影响方面仍存在实验空白。根据Majumder和Majumder[3]的研究，T型接头处较大的弯曲半径会增加下游流速并加速均匀流动的发展。然而，他们的研究仅限于单相流动，弯曲半径比（r/Dh）的范围为0.1至0.3，且未具体识别出流动模式。
因此，本研究旨在通过空气-水流动实验，明确弯曲半径（r/Dh = 0.5、0.7、1.0）在控制水平微通道T型接头中初始气体团块形成机制中的作用。与大多数仅考虑横截面几何形状、粘度变化或表面速度的先前研究不同，本研究系统地将弯曲半径作为控制参数。本研究的新颖之处在于提供了实验证据，证明弯曲半径直接控制气体团块的生长速度（Us）、长度（Ls）、缩颈长度（Ln）和频率（fr），并展示了这些参数如何通过涡流强度、界面剪切应力和不稳定动力学相互关联。此外，本研究通过斯特劳哈尔数（St）-毛细数（Ca）缩放关系引入了一个无量纲框架，这一框架在之前的研究中尚未得到系统探讨。将实验结果与人工神经网络（ANN）预测相结合，提供了进一步的定量验证。
实验装置和程序
实验在Gadjah Mada大学机械与工业工程系的流体力学实验室进行。实验装置的示意图见图1和图2。液体供应系统包括一个水泵，将水从储水池输送到不锈钢压力罐中，该压力罐同时也作为气动泵，用于抑制脉动效应[17]。压缩空气由空气压缩机提供，压力空气被送入压力容器中。
由于弯曲半径影响而导致的流动模式初始形成机制的识别
在三种不同弯曲半径比（r/D5 = 0.5、0.7和1.0）下进行的观察揭示了三种不同的气体团块形成机制：剪切模式（SR）、挤压模式（SQR）和剪切-滴落模式（SDR），如表3(a)–(c)所示。典型示例包括：J7 = 0.805米/秒和Jg = 0.889米/秒时的SR模式，J7 = 1.158米/秒和Jg = 1.778米/秒时的SQR模式，以及J7 = 1.988米/秒和Jg = 0.889米/秒时的SDR模式。
这些模式可以清晰地区分开来。
剪切模式下的气体团块形成机制
在本研究中，初始的SR形成机制是在Jl = 0.805米/秒和Jg = 0.593米/秒的流动条件下，以及r/Dh = 1.0的情况下观察到的，如图5（标记为a–g）所示。在此过程中，观察到空气从分支通道流出，进入主通道，然后向下流动形成一个延长的气体段，最终形成一个单一的气体团块。先前的研究也报告了类似的现象[13]、[35]、[39]、[40]。
在标记a处，P1处的压力为
挤压模式下的形成机制
在SQR机制中，图6展示了在J7 = 1.349米/秒和Jg = 1.778米/秒的流动条件下，r/D5 = 1.0时初始气体团块形成的一个示例。单个气体团块的形成过程包括三个主要阶段：
1.压力积累阶段（标记a–b）。
在这个阶段，P1处的压力最初较低，随后显著增加。初始压力较低是因为从分支通道流出的气体开始进入主通道，但尚未
剪切-滴落模式下的机制
在SQR机制中，本研究中观察到在J7 = 1.339米/秒和Jg = 0.593米/秒的流动条件下，r/D5 = 1.0时气体团块的初始形成过程，如图7（标记为a–g）所示。该过程始于气体从分支通道流入主通道，并在T型接头附近形成缩颈（标记为a–b）。在此阶段，P1处的压力缓慢上升，反映了气体体积的逐渐积累，而主通道并未立即被堵塞。
结论
本研究系统地探讨了弯曲半径如何影响水平T型接头微通道中气体团块的初始形成。识别出三种流动机制：SR、SQR和SDR，每种机制都表现出不同的压力波动模式，这些模式反映了不同的缩颈、填充和断裂序列。弯曲半径比（r/Dh）被证明直接控制着主要的团块形成参数，即U?、L?、L?和fr。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究是印度尼西亚日惹Gadjah Mada大学流体力学实验室多相流研究小组的一个研究项目的一部分。作者感谢印度尼西亚教育、文化、研究和技术部通过2019年国内研究生教育奖学金（BPPDN）计划提供的财政支持。这一支持对于完成本研究至关重要，使作者能够
