水平管降膜流動液膜鋪展的試驗

段林林，高 虹，楊曉宏，田 瑞

(內蒙古工業大學，內蒙古呼和浩特 010051)

水平管降膜流動液膜鋪展的試驗

段林林，高 虹，楊曉宏，田 瑞

(內蒙古工業大學，內蒙古呼和浩特 010051)

為了探究水平管降膜氣液兩相流的液膜鋪展，在常溫常壓下，利用激光誘導熒光方法，對布液裝置為單孔和三孔下的管外降膜流動進行了局部試驗研究。通過高速攝像機拍攝，得到了液膜軸向鋪展分布隨Re的變化，以及三孔下形成的兩液柱中心距、液柱之間最厚液膜位置隨時間的波動。結果表明，在一定的Re范圍內，液膜軸向鋪展存在極限；液柱中心距隨時間呈周期性變動；最厚液膜在兩液柱中心位置略微左右移動，出現在中心位置的幾率為30%。

氣液兩相流；激光誘導熒光；分布；液柱中心距；最厚液膜

1 前言

隨著淡水資源的日益匱乏，海水淡化技術越來越受到重視。由于水平管降膜蒸發傳熱的高效性，其在海水淡化技術領域獲得了廣闊的應用前景。水平管降膜蒸發器中噴淋海水遇到高溫的水平管壁，部分海水在管壁上吸熱蒸發，蒸汽向上流動，未蒸發的海水沿水平管向下流動。在低溫多效海水蒸餾設備中，蒸發溫度在70℃以下[1]，因而具有操作溫度低、抗結垢性能好、不易腐蝕等優點。

水平管降膜流動過程復雜，一般將流動分為管外流動和管間流動。對于管外的流動研究主要集中在管壁周向上液膜厚度的變化[2～8]，管間流動的研究主要集中在流型上，如滴狀流、柱狀流、片狀流的形成條件及影響因素的研究[9～11]。目前對于液膜軸向鋪展的研究比較少。Chen Xue等利用激光誘導熒光的方法對水平管降膜流動柱狀流時的液膜厚度進行了測量，研究發現軸向液膜厚度以液柱間距的中點呈“平穩段-波峰段-平穩段”對稱性分布[12]。牟興森用數值模擬方法研究了單入口下液膜沿管壁的流動，得到液膜在軸向存在鋪展極限[13]。張銘對單根液滴/柱進行了三維數值模擬研究，得到了不同操作工況下管間流型、管表面液膜分布以及液體停留時間的變化規律[14]。

實際上管壁液膜軸向鋪展一方面決定著管壁液膜是否交會形成波峰，另一方面影響到管間流動是否形成錯排流。此外根據液膜軸向鋪展規律也可以反過來確定布液器孔間距，為噴淋器的優化設計提供理論依據。

雷諾數Re(或噴淋密度)對水平管降膜流動起著重要的作用，普遍使用的Re定義式為：

Re=4Γ/μ=2M/(μL)

式中?！芡鈫蝹纫后w的質量流速，kg/(m·s)

μ——液體動力黏度，kg/(m·s)

M——液體的總質量流量，kg/s

L——軸向噴淋長度，m

液膜流動是水平管外蒸發側傳熱膜系數的主要影響因素之一，研究液膜的流動對于從理論上進一步揭示管外壁傳熱機理具有重要意義[15]。因此本文在常溫常壓下、利用激光誘導熒光方法[16,17]，對分布裝置的開孔參數為單孔和三孔工況下的管外降膜流動進行局部試驗研究，分析單孔與三孔工況下液膜隨Re變化在管表面的鋪展分布規律，以及三孔工況下形成的相鄰液柱間距、相鄰液柱間液膜沿管表面軸向鋪展的最厚位置隨時間的波動。

2 試驗系統及試驗過程

水平管降膜流動液膜鋪展的試驗系統如圖1所示。試驗系統主要包含以下3個部分。(1)流體循環：流體從儲水槽流出，經過循環泵、調節閥與轉子流量計，進入布液裝置噴淋管，流經試驗管，最后回到儲水箱。流經管壁的液體重量結合稱重法獲得。(2)水平降膜流動系統：2個布液器分別是直徑為2 mm的單孔和三孔，其中三孔的孔中心距為20 mm，布液高度為28.9 mm。水平降膜為光滑銅管，直徑19 mm，管間距為28.9 mm。試驗前將銅管清洗干凈，并保證每根管水平。(3)圖像采集系統：釆用激光誘導熒光法進行拍攝，距離測試管0.5 m處的激光發生器產生波長為532 nm的綠色激光。試驗所用熒光粉為羅丹明B，其水溶液能被532 nm波長激光應激，釋放出峰值波長為580 nm的熒光，本試驗中羅丹明B的添加量為0.2 g/L。高速數碼相機以每秒500張的速度拍照，相機所采集的圖片像素為1024×024pixels。相機的拍攝角度與激光入射角度保持垂直。相機前加置濾光片，用以過濾波長小于550 nm的光線，尤其是激光發出的綠光。

圖1 降膜流動試驗系統

首先對無液體擾流的蒸發管拍攝做為標定基準，之后調節流量，待液膜穩定，打開激光器，拍攝氣液界面的圖片。調節流量進行多次拍攝。通過與捕捉的無液體繞流的干管的進行對比，應用計算機圖形處理技術進行數據讀取，從而獲得不同周向角度(如圖2)液膜沿管壁軸向的鋪展分布特性。

圖2 圓管周向角度示意

3 試驗結果分析

3.1 液膜軸向鋪展長度

圖3是單孔工況下液膜在管表面隨Re鋪展的變化?？梢钥闯?，在Re小于80的工況下，流體在管間以滴狀流流動，液膜在管表面以近似橢圓形鋪展，沿周向和軸向同時向外延伸，但軸向鋪展到一定距離后，基本不再延伸，只沿著周向繼續鋪展，鋪展形狀呈倒三角形。隨噴淋量的增大，液膜沿軸向的較窄部分鋪展增大，頂端和底部的鋪展距離差縮小。當Re為289左右時，流體流過第二根管后，管間液柱由1個變為2個，液膜鋪展進入新的階段。

(a)Re=29

(b)Re=36

(c)Re=80

(d)Re=289

圖3 單孔下液膜隨Re鋪展分布

圖4是三孔工況下液膜在管表面隨Re的鋪展變化。

(a)Re=120

(b)Re=272

(c)Re=302

(d)Re=312

圖4 三孔下液膜隨Re鋪展分布

從圖中可以看出，Re在試驗范圍內，三孔工況下液膜在管表面頂端和底部沿軸向鋪展距離幾近相等，鋪展形狀近似矩形。液膜受力的作用有：液體到達管頂端后慣性力變為軸向和周向的分力，液膜與管表面之間的粘性力，液體的表面張力，以及液體之間的推擠力，由于三孔下軸向鋪展距離較單孔的長，此時液膜鋪展邊緣處受各力沿軸向的合力幾乎相等，表現為液膜在軸向的頂端和底部的鋪展距離相近。

圖5為液膜隨Re在單孔沿圓周角度、三孔頂端的鋪展長度變化。單孔時，軸向0°處液膜鋪展長度在Re小于62時，呈增大趨勢，Re增到285之間，基本不變，保持在35.85 mm左右；周向90°處液膜鋪展長度隨Re增大呈增大的趨勢，但增大的幅度先急劇后平緩，180°時液膜鋪展長度的變化趨勢與90°相似。從圖還可以看出，在同一Re數的情況下，0°與90°液膜鋪展長度差小于90°與180°的差距，由于90°時，重力的切向分量達到最大值，隨角度增大至180°，其值逐漸降低至0[18]。

圖5 液膜軸向鋪展長度隨Re的變化

對于三孔的情況，Re在小于300范圍內，周向0°處液膜軸向鋪展長度基本不隨雷諾數的改變而改變，其均值為54.23 mm?？梢钥闯?，在一定的Re范圍內，液膜鋪展在軸向存在極限。管頂端三孔液膜鋪展長度小于3倍單孔鋪展長度，是由于三孔下液柱增多，液膜相互碰撞疊加的作用增大。通過液膜的軸向鋪展距離，可根據單孔0°處的鋪展來設計布液孔間距，使加熱蒸發工況時管壁濕潤且液膜厚度較薄，進而使傳熱效率較大。

3.2 液柱中心距

在三孔條件下，本文對管間相鄰液柱的中心距進行了研究。從圖4可以看出，Re=312，管間液柱從2個變為3個，與布液器流出的液柱產生錯位。從圖6中可看出，隨時間改變，相鄰液柱中心距呈周期性變動；且隨Re的增加，波動時間變短。Re=172，相鄰液柱中心距平均值17.39mm，Re=302，其為20.41mm，而AMI研究結果為液柱間距隨Re變大而減小[19]。這是由于在本試驗中，Re=302時液膜軸向鋪展長度較Re=172時大，兩液柱間在軸向的液膜相互干涉的區域變小，故兩液柱中心距也變大。

圖6 兩液柱間距隨時間分布

3.3 軸向最厚液膜位置的波動

對布液參數為三孔工況下，拍攝穩定柱狀流的降膜流動，觀測管表面軸向最厚液膜位置。由于兩液柱的流量并不完全一致，導致最厚液膜在兩液柱中間位置略微移動。圖7是Re=302時管頂端軸向最厚液膜位置在0.8s內每隔0.04s的波動，結果表明，最厚液膜在兩液柱的中心位置小幅度左右移動，最厚液膜出現在中心位置的幾率為30%。

圖7 最厚液膜位置隨時間的變化

4 結論

(1)單孔和三孔工況下，在一定的Re范圍內，液膜軸向鋪展存在極限。單孔下隨Re增大，液膜在管表面頂端和底部的軸向鋪展長度差值減小。

(2)三孔工況下，兩液柱中心距隨時間呈周期性變動，Re=302時兩液柱中心距較Re=172時大。

(3)最厚液膜在兩液柱中心位置略微左右移動，出現在中心位置的幾率為30%。

(4)設計布液器孔間距時，Re較小則孔間距不易過大，否則管壁易形成局部干涸；Re較大則孔間距不易過小，否則在管壁形成液體的堆積，不利于液膜傳熱蒸發。

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Experimental Film Spreading on Horizontal Tube Falling Film Flow

DUAN Lin-lin,GAO Hong,YANG Xiao-hong,TIAN Rui

(Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051 China)

By utilizing the laser induced fluorescence(LIF) method at normal temperature and pressure,falling film flow outside a horizontal tube on single and three holes of orifice configurations were experimentally studied locally to explore liquid film spread of horizontal tube falling film flow.Axial distribution of liquid film spread along with the change ofRe,and change of center distance、thickest film location between two liquid column with time were obtained by a high speed camera.The experiment results show that liquid film axial spread exist extremity within a certain range ofRe; liquid column center distance changed periodically over time;the thickest film location between two liquid column moved around slightly,which appeared in the center position is 30%.

gas-liquid flow；laser induced fluorescence(LIF);distributions；liquid column center distance；the thickest film

1005-0329(2017)02-0062-04

2016-07-04

2016-08-24

國家自然科學基金資助項目(51266007);內蒙古工業大學風能太陽能利用技術省部共建教育部重點試驗室開放基金項目(201409)

TH137;U664.5

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.014

段林林(1987-)，女，碩士研究生，主要從事流體及傳熱傳質的研究，通訊地址：010051 內蒙古呼和浩特市內蒙古工業大學能源與動力工程學院，E-mail:duanlinlin206@163.com。

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