竖直平板表面流动液膜厚度的实验研究

液膜厚度是研究液膜流动特性的重要参数,为了得到液膜流动过程中厚度的变化规律,对竖直平板表面上由重力驱动的水膜流动进行实验测量。自主设计并搭建降液膜流动实验台,利用电容式液膜测厚仪统计分析层流流动,距离入口25cm处的流动液膜厚度随时间的演化状况。实验结果表明：在时间域上,观测点的液膜厚度值不断发生变化。Re=297时,0至70 s内的流动液膜的波动性平稳,厚度平均值接近168.5um 。Re=462与Re=627时,在0至40 s时间段内波动较强烈,40至70 s的液膜流动趋于平稳状态。Re=814时,所测时间段0-70 s,液膜波动较剧烈,波动幅度增大。液膜厚度与雷诺数呈正线性相关关系。当Re=814时,每个时间点的液膜厚度在360um以上,高于其他三种不同雷诺数时的液膜厚度。高雷诺数时液膜的波动状况更加剧烈,减小雷诺数有利于形成光滑的液膜。从侧面体现出流动液膜具有不稳定性。     

初边值条件对二维通道内降膜流动行为影响的数值分析

在压水堆核电站中,非能动安全壳冷却系统是比较重要的事故缓解措施,其中对水膜流动行为的研究至关重要。目前这些研究较少关注液膜波动现象,也很少考虑空气和水膜界面的剪切力。因此,采用Fluent VOF和k-ε模型对二维矩形通道内单侧水膜流动行为进行数值模拟,并考虑空气和水膜两相交界面的剪切力作用,讨论了液膜入口速度分布、液膜入口宽度、空气入口速度、液膜入口雷诺数以及空气流动方向等因素对液膜厚度沿流动方向变化的影响。模拟研究表明:液膜入口宽度,气体流动方向对液膜表面波动有影响,该表面波动现象与气液两相间的速度差有关,速度差越大,波动越大。在某些条件下,当前的数值模型可再现降膜流动的波动现象。     

水平管外降膜流动的膜厚测量和数值模拟

采用激光诱导荧光法结合数字图像处理技术对水平管外降膜流动的液膜厚度进行了测量,得到了常温常压下水在水平光滑管和Turbo-CII强化管外降膜流动的过程中,液膜厚度随流量、管周角度和液体分布装置布液高度变化的规律.采用Fluent软件对单根水平管外的流动情况进行了二维数值模拟,并把计算结果和实验结果进行了对比.实验和模拟结果表明:上半周的液膜厚度比下半周的大,且在水平管上半周沿顺时针方向随着角度的增大而变小,而在水平管下半周变化不大,液膜最薄点出现在水平管下半周靠近90°附近的位置;液膜厚度随着流量的增大而变大,随着布液高度的增大而变小;管外液膜流动有波动,上半周的液膜波动比较大,Turbo-CII强化管外液膜表面的波动要比光滑管的小.     

微结构壁面降膜波动的统计特性

采用非接触测量法,考察了以水为实验体系,中等雷诺数Re为30～200,卡比萨数K_a=6.23×10¹⁰,刻有竖条纹和菱形条纹微结构壁面上液膜的波动统计特性,如平均液膜厚度、标准方差、波动振幅量纲一液膜衬底厚度、波动频率等,并与光滑不锈钢板上液膜特性进行比较,结果表明:即使在微结构壁面,液膜波动同样存在光滑进口区,微结构壁面上液膜的平均液膜厚度、波动振幅和波动频率均大于光滑不锈钢板,微结构壁面和光滑不锈钢板上液膜波动性的演变趋势沿流动方向及随Re变化均基本一致。     

气液并流垂直液膜流动的数值模拟

应用计算流体力学软件Fluent,采用VOF方法模拟了气液并流垂直液膜流动.将平均液膜厚度数据与文献数据对比,验证了模型的合理性.考察了气、液相雷诺数和壁面剪切力对液膜流型的影响,分析了不同截面液膜厚度随时间的变化情况,且比较了液膜波动与壁面剪切力的变化规律.模拟结果表明:液膜的流动形态在不同高度处主要有滴状流、层流、层流-湍流和波状湍流,可划分为入口段、发展段和稳定段3个区域;波形低谷值对应剪切力的高峰值,大振幅波的高峰值对应剪切力的低谷值,但由于液膜波动的随机性以及波的叠加,并不是所有的剪切力高峰都与液膜波谷相对应.     

强化管表面结构对竖管降膜流动特性的影响

为了研究强化管表面结构对竖管降膜流动特性的影响,搭建了竖管降膜流动冷态实验台,利用光谱共焦位移传感器和高速摄像仪对强化管和光管进行了对比研究。实验中,降膜流量通过调节高位水箱内静液柱高度H和布液器环隙间距Δd控制,使降膜雷诺数Re在0～4 500变化。测试结果表明:当0Re≤2 000时,强化管与光管液膜厚度一致,但当Re2 000时,强化管的液膜厚度逐渐高于光管,且随着Re的增大,二者差值越趋增大;相对于光管,强化管润湿管壁的最小流量约为光管的1/3,明显小于光管,表明强化管有利于液膜的铺展;当降膜流动处于层流时,在入口段强化管与光管的降膜波动特性无明显差别,但光管较先进入充分发展区,随后波动强度逐渐小于强化管;当降膜流动呈湍流时,强化管的波动强度明显高于光管,当Re达到4 200时,在测试范围内强化管的平均波动强度较光管高出约8%,说明强化管的表面结构增强了液膜的扰动,更利于降膜蒸发过程传热传质。以上结论可为强化管用于竖管降膜蒸发器的研究提供有益参考。     

水平管外降膜流动液膜厚度数值模拟

建立了水平管外液体降膜流动过程的物理数学模型并对其进行了数值模拟研究,将模拟结果与文献中的理论值和实验值做了比较,变化趋势吻合较好.通过计算不同雷诺数下沿管壁周向的液膜厚度及液膜分布情况,分析了结构和流动参数对液膜厚度与分布的影响规律.结果表明:液膜厚度随雷诺数的增大而增大;当雷诺数一定时,管壁周向液膜厚度呈先减小后增大趋势并随管间距的增大而减小,并且随着雷诺数的增大,管壁周向液膜波动增大且易出现"干区".     

竖直管内R113降膜流动数值模拟

为研发有机工质余热发电降膜蒸发装置,采用RNG k-ε模型对氟利昂(R113)竖直管内气液两相逆流降膜进行数值模拟。对液膜的流动形态和速度特性进行详细的分析研究。研究发现在沿管长方向的流动过程中,流速呈现出逐渐增大的趋势,但随着流动的发展,这种增势变缓。膜厚由均匀变至厚薄交替并呈现出平稳段、波动段和震荡段三种不同的流动形态,虽然出现震荡波动但无断裂,与理论值对比模拟结果较可靠。     

均质硅橡胶膜萃取含酚水溶液传质特性研究

构造了卷绕式及管束式两种膜组件,采用均质硅橡胶膜材料,以氢氧化钠溶液为萃取液,研究了含酚水溶液的膜萃取过程.基于液-膜-液的串联传质阻力模型,通过实验测定了体系的总传质系数.分析讨论了苯酚溶液浓度、流动状态和温度因素对膜萃取传质过程的影响,得出了总传质系数与料液流动状态及温度之间关系的数学模型.实验值与理论值的相对偏差在10%以内,表明所得的关联式可信、有效.     

溢流式布膜铝板液膜厚度和润湿特性实验研究

为了探索高雷诺数(Re700)时平板降膜厚度规律和溢流式布膜方式下的润湿特性,设计并搭建了垂直铝板降膜实验台,采用电容测厚技术测量了Re为660～1 390时冷态水膜瞬时厚度的变化情况。利用文献数据着重分析了流动长度和Re对平均液膜厚度的影响,并通过图像处理法计算了加湿过程的润湿面积。实验结果表明:在研究工况范围内,随着Re的增大,液膜厚度的最大值、最小值、平均值、标准偏差、波动振幅均存在上升趋势;不同流动长度处液膜厚度存在较大差异,拟合出流动长度L为0.43 m处的平均液膜厚度的经验关联式,计算值和实验值的相对误差控制在±6%范围内;层流向紊流转换的临界Re约为500,临界Re之后的平均液膜厚度随Re的增长速率要高于之前的;在Re为15～200时,润湿比随着Re增加呈现波动增大的趋势,预测平板最小润湿流量约为0.27。     

Marangoni effect of cracked liquid film of an aqueous electrolyte flowing over a vertical heated plate

An experimental investigation was performed on Marangoni effect of cracked liquid film of aqueous Na_2SO_4 flowing over a vertical heated plate by using a sensitive infrared imaging technique. The results show that the thermal and solutal Marangoni effects, which result from the non-uniform distributions of surface temperature and concentration of the film, respectively, occur in the streamwise and transverse directions of the film, generating different influences on the film heat transfer. Taking account of the Marangoni number (Ma) and the solution concentration (c_0), a correlation of the Nusselt number (Nu) for the cracked liquid film is proposed.     

箭型排布的矩形微槽平板上液膜流动特性

光滑平板降膜受表面张力和接触角的影响易收缩成溪流,导致传热表面出现干斑,为解决这一问题,提出箭型排布的矩形微槽平板。通过可靠的computational fluid dynamics（CFD）计算模拟两相流理论,建立三维非稳态平板降膜数学模型,研究了箭型排布的矩形微槽平板上的液膜流动特性,并探究了微槽宽度、深度及箭型夹角对液膜在平板上铺展效果的影响。结果表明：箭型排布的矩形微槽可有效增大液膜在平板横向的铺展面积,使液膜润湿面积增大,减少平板表面干斑;在120°箭型结构下,矩形微槽最优参数为宽0.5 mm,深0.3 mm,此时可将比湿面积由光板表面的62%~89%提高到84%~94%;低雷诺数时,120°箭型结构对液膜横向铺展引导效果显著,雷诺数增大时,90°箭型结构引导效果更好。     

电磁激励谐振对射流碎裂过程的促进作用

根据量纲一色散关系式数值计算得到的射流碎裂点最不稳定波数,在射流试验台上对平面液膜射流进行电磁激励谐振,采用闪光摄影技术对有无电磁激励谐振的液膜射流碎裂过程进行比较试验研究。结果表明:电磁激励谐振对于射流的碎裂过程影响很大,按照量纲一色散关系式计算所得的表面波最不稳定波数设置的电磁激励谐振能够大幅度缩短射流的碎裂长度,静止空气环境中射流的碎裂长度缩短了17%～60%,空气助力环境中射流的碎裂长度缩短了13%～52%,明显改善了一级雾化的效果。     

Lennard-Jones流体汽液界面的分子动力学研究

为深入认识汽液界面现象 ,解释汽液界面的独特性质 ,采用分子动力学模拟方法从分子水平上研究了 L ennard-Jones流体汽液界面。模拟结果表明 ,汽液界面实际上是一个随时间涨落的起伏不平的曲面 ;汽液过渡区就是该曲面的涨落区域 ;汽液相变是一个突变的过程 ;汽液界面体系内密度、压力张量及温度等热力学量连续变化只是统计的结果。并在此认识基础上 ,从汽液分子相互转化的微观行为解释了汽液界面的温度分布中的尖峰和低谷出现的原因。在分子的汽液相变过程中 ,从液相向气相的转化发生在汽液界面的波峰处的几率最大 ,而从气相向液相的转化发生在汽液界面的波谷处的几率最大     

自由下降液膜流动的长波方程的稳定性分析

采用行波方法将长波方程变换为动力系统的自治方程，以分析在渐近稳定状态下自由下降液膜流动的稳定性。通过应用Maple数学软件对自治方程分析求解，获得了以雷诺数，韦伯数和波速为控制参数的特征方程。根据临界点附近的特征值的复数情况，发现在临界点附近不存在霍普夫分叉现象。非线性和线性稳定性分析均表明短波和长波在液膜流动中分别起着不稳定作用和稳定作用。分析表明，行波方法是一种具有简化偏生分方程分析的有效工具，长波方程不适于描述雷诺数较大的液膜流动。     

乳状液膜脱酚的进一步研究

对生产古马隆树脂的含酚废水采用乳状液膜法脱酚进行了探讨 ,分析了乳状液膜的稳定性和搅拌强度 ,内相试剂的浓度、油内比、乳水接触时间、温度、酸度及不同表面活性剂浓度对除酚效率的影响 .对酚质量分数为 0 0 6 %的废水 ,经一级处理可净化到 0 0 0 0 5 %以下 ,净化率达 99%以上 .讨论了表面活性剂的适宜用量及液膜的循环利用     

线光源平板降膜光催化反应器表面光辐照度分布的研究

采用简化的线性光源球面辐射模型,导出了线光源平板降膜光催化反应器液膜表面光辐照度和辐射能通量的计算公式。对表面光辐照度和辐射能通量进行了无因次化理论分析,在反应器面积一定的情况下,计算了不同线光源长度、灯距和反应器长宽比等因素影响下液膜表面的光辐照度分布和光利用率。结果表明:在线光源和平板反应器的诸参变量中,灯距是最敏感的参变量,逐步增大灯距可使光辐照度分布趋于均匀,但光利用率却随之迅速下降,因此需权衡利弊确定合适灯距。比较了实验条件下反应器中部和边缘液膜表面紫外线灯管照射下的光辐照度测量值和光辐照度理论计算值,二者基本相符。     

高温球体与水的沸腾传热特性研究

为研究高温流体与水的传热特性,采用理论分析与自由界面追踪数值技术对高温球体表面的沸腾传热过程进行研究,得到球体表面传热特性的变化规律. 分析结果表明,当球体温度不变时,蒸气膜层厚度自前滞点往后逐渐增大,膜层内温度呈非线性分布降低,速率呈抛物型分布. 当球体温度提高时蒸气膜层厚度变大,相应的蒸气速率峰值也变大,球面传热系数却变小. 数值仿真结果显示了气-液界面上不稳定性波动发展和气泡成长过程,较为真实地反映出沸腾传热的动态过程.