Three Dimensional Effects in Taylor Flow in Circular Microchannels

Effets tridimensionnels dans un écoulement de Taylor en microcanal circulaire

¹ Institute of High Performance Computing, 1 Fusionopolis Way, Singapore, 138632
email : guptar@ihpc.a-star.edu.sg, manicar@ihpc.a-star.edu.sg
² School of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Sydney, Sydney, Australia
email : sharon.leung@sydney.edu.au, david.fletcher@sydney.edu.au, brian.haynes@sydney.edu.au

Abstract

The gas-liquid Taylor flow regime in microchannels is of great interest to a range of industries (e.g. electronics cooling, automotive, biomedical, aerospace and chemical processing) as the rates of heat and mass transport are significantly enhanced in Taylor flow when compared with laminar, fully-developed single phase liquid-only flow. The bubble shape and flow are generally assumed to be axisymmetric and steady (in a frame of reference moving with the bubble) in Taylor flow in millimetre-size circular channels. Our experiments performed using a combination of highspeed imaging and micro-Particle Image Velocimetry (micro-PIV) techniques have investigated the case of Taylor flow for an ethylene glycol-nitrogen system in a horizontal channel of 2 mm diameter, where the bubble shape was observed to show significant non-axisymmetric behaviour. To further understand the non-axisymmetric flow behaviour a periodic, three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model employing the Volume of Fluid (VOF) method (using ANSYS Fluent) with geometric reconstruction to capture the gas-liquid interface was developed. A combination of experimental and computational techniques gives insight into the flow physics for the case of horizontal Taylor flow where three dimensional effects are important.

Résumé

Le régime de Taylor gaz-liquide en microcanal porte un grand intérêt pour des nombreuses industries (par exemple les industries électronique, automobile, biomédical, aérospatiale et chimique) car ce régime d’écoulement permet d’intensifier fortement le transfert de chaleur et de masse par rapport à un écoulement monophasique et laminaire, entièrement développé. Dans un canal millimétrique et circulaire, l’écoulement de Taylor et la forme de la bulle sont généralement considérés comme étant axisymétrique et stationnaire (dans un repère de référence se déplaçant avec la bulle). Dans ce travail, nous avons étudié, à l’aide de l’imagerie à haute vitesse et de la micro vélocimétrie par images de particules (micro-PIV), un écoulement de Taylor avec de l’éthylène glycol et de l’azote dans un canal horizontal de 2 mm de diamètre. Sous ces conditions, il est observé que la forme de la bulle et l’écoulement ne sont pas axisymétriques. Pour mieux comprendre le comportement de l’écoulement non axisymétrique, un modèle numérique tridimensionnel et périodique employant la méthode de volume de fluide (VOF) avec reconstruction géométrique pour capturer l’interface gaz-liquide a été développé dans le code ANSYS Fluent. Cette démarche, basée sur des techniques expérimentales et numériques, permet d’obtenir des informations détaillées sur la physique de l’écoulement de Taylor dans un tube horizontal où les effets tridimensionnels sont importants.