Generally it is known that gravity plays an important role in two-phase flow behavior in conventional size channels (~cm scale) but is considered to be insignificant in micro-scale (<100 μm) channels. In the present work, experiments were conducted to check the relative significance of the gravity effect in mini-scale (~mm) channels that are in the intermediate-size range between the conventional and the micro scales. And this is important to predict accurate bubble sizes generated by mini-size bubble dispensers. More specifically, the effect of the gravity on the bubble formation at mini-scale Y-junctions was examined. The gravity effect was tested by tilting Y-junctions (from the horizontal plane to the vertical plane) for various inclination angles with their two arms positioned at the bottom. Air and water were introduced through each arm at the bottom, respectively, with the both velocities ranged from 2.6 mm/s to 52 mm/s and the two-phase mixture was formed to flow upwards in a plug flow manner.
Three different cross sections were tested: 0.5 mm x 0.5 mm, 1.1 mm x 1.1 mm and 2.5 mm x 2.5 mm. In general, the bubble size increased with the increases of the gas superficial velocity and the hydraulic diameter of the channel or with the decrease of the liquid superficial velocity. Also, the bubbles became smaller with increasing of the inclination angle. That is, bubbles are formed more frequently with the increase of the inclination angle. The gravity effect becomes minor with the smaller cross section, and with the higher liquid velocity or with the lower gas velocity.
일반적으로 2상 유동에 있어, 중력은 컨벤셔널 스케일(~cm) 관에서 중요한 역할을 한다. 그러나 중력은 마이크로 스케일(<100 μm) 관에서는 중요성이 떨어진다고 알려져 있다. 본 연구에서는 컨벤셔널 스케일과 마이크로 스케일의 중간 크기인 미니 스케일(~mm)관에서 중력의 중요성을 살펴보기 위한 실험을 수행하였다. 구체적으로 미니 스케일의 Y-자형 합류관에서의 기체 플러그 생성에 중력이 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 중력의 영향을 살펴보기 위해 기체 및 액체 주입구를 바닥으로 향한 상태에서 Y-자형 합류지점을 수평에서 수직까지 다양한 경사 각도로 기울이며 실험을 수행하였다. 공기와 물을 모두 2.6 mm/s에서 52 mm/s까지 겉보기속도를 변화시키며, 주입하였다. 주입된 공기와 물은 합류 지점에서 만나 플러그류의 형태로 하류방향으로 이동하였다.
0.5 mm x 0.5 mm, 1.1 mm x 1.1 mm and 2.5 mm x 2.5 mm의 단면을 갖는 3 가지의 시험부가 사용되었다. 기체 플러그의 크기는 기체 겉보기 속도 혹은 수력 직경이 증가함에 따라 증가하였고, 액체 겉보기 속도가 증가함에 따라 감소하였다. 또한, 경사 각도가 증가함에 따라 기체 플러그의 크기는 감소하였다. 즉, 기체 플러그는 경사 각도가 증가함에 따라 빠르게 생성되었다. 이러한 중력의 영향은 합류관의 단면이 작아질수록 혹은, 기체 겉보기 속도가 작아지거나 액체 겉보기 속도가 커질수록 작아졌다.
