文献综述

1.背景意义

微机电系统(Microelectro-mechanical systemsMEMS)是结合微电了技术和精密加工技术的最新成果发展起来的高科技前沿学科。随着微机电系（MEMS）概念的提出和发展，微化工技术也成为化学工程学科发展的新的重要方向之一^[1-2]，与微机电系统有关的流体在微通道中流动和换热的研究也越来越引起人们的重视。一些研究者提出了对微化工应用前景的设想一一迷你工厂(miniplant:迷你工厂〕(miniplant)由英国Edinburg大学的Ponton^[3]首先提出。由于尺度的微细化使得微通道中化工流体的传热、传质性能与常规系统相比有较大程度的提高。随着特征尺度的减小，微通道反应器表现出一些独特的不同于常规反应器的优点，如高的热量及质量传递速率、内在安全性、高的面积体积比以及模块化放大等，将在化学、化工、能源、环境等领域得到广泛应用^[4-6]。近十几年来，微热、微反应、微分离、微分析系统等微化工技术的研究处于迅猛的发展态势。因此，对微通道进行系统深入的研究具有重要意义。

2微通道

微通道，也称为微通道换热器，就是通道当量直径在10-1000μm的换热器。微流体器件主要借助构建各种复杂的微通道来实现各种复杂的操作。微通道既为各种微流体运动反应提供场所，也担负着连接微流体系统中各个元部件的作用

微通道的工程背景来源于上个世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子系统的传热问题。自20世纪80年代”微通道散热器”的概念首次被Tuckerman和Pease提出以来,微设备就开始以一种高速发展的姿态进入到化学化工领域,以微反应系统为核心的微化工技术以其简单高效、快速灵活、易直接放大和可持续性等优势受到广大科技工作者和商业领域的青睐。从此以后，人们就开始对微通道进行多方面的研究。从加工制作方法到微通道构型对流动的影响，再到微通道内流体流动特性，都得到了世人的关注。

根据微通道的截而形状，我们可以把微通道分为圆形通道、矩形通道、三角形通道、正六边形通道和梯形通道等。根据微通道的简单结构又可分为简单直管微通道，T型微通道，Y型微通道，十字型微通道，U型微通道等。常见的微通道尺寸通常在微米量级，加工精度也不高。

3微通道内气液两相流流型研究

气液两相流流型是传热传质研究的基础，微通道由于其尺度的微小化，可观察到的流型与常规尺度下的有一定的区别，主要是分层流（stratified flow）将不会发生。 对于微通道反应器中的两相流，流型通常会影响到流体质量传递、动量传递、阻力降、含气率等。由于研究者们用的微通道尺寸、气液介质、微通道材质、流体进口方式等的不同，观察到的流型也有一定的区别。Triplett 等^[7]实验观察到的气液两相流流型为泡状流（bubbly flow） 、翻腾流（churn flow） 、弹状流（slug flow） 、弹状#8211;环状流（slug-annular flow）和环状流（annular flow） ，研究表明现有的关联式并不适用于微通道内气液两相流，微通道内气液两相流流型的转变关系以及流型图还需在一定的理论基础和大量的实验基础上得以确定和发展。影响流型的因素较多，主要包括气液表观流速，微通道特征尺度，重力，以及流体属性如载度、表面张力等。由于在微通道中表面张力作用相对增强，常规通道中可观测到的分层流(stratified )现象在微通道中不再出现。

Serizawa等^[8]观测到的流型为:分散的泡状流(dispersed bubbly flow)、弹状流(slug flow)、液环流(liquid ring flow)、液团流(liquid lump flow) 见图 1。分散的泡状流中的气泡在直径小于微通道直径情况下，总是保持球形，用Laplace-Young方程估算的气液界面压力差为0.3bar，这个压力差足以维持气泡为球形，并阻止气泡被扭曲变形。弹状流通常发生在微通道的入口段。液环流的特征结构是微通道壁面的液膜对称分布，常规管道中不发生液环流。当气体流速很大，以至于高速的气核夹带液体的时候，顺着微通道壁就发生液团流现象，它的形状与水平大管道内的波形流(wavy flow形状相似。该实验观察到一个独特的流型:歪斜肉串流(skewed flowor Yakitori flow，即不同形状的气泡通过微通道中轴上的气核连成一串，就象歪斜的烤鸡肉串一样。