下降液膜的阴影成像法研究以及数值图像处理

下降液膜广泛运用于先进压水堆核电站的安全系统(如 AP 1000)和核能海水淡化系统.本文通过阴影成像法技术对下降液膜流动不稳定性进行了实验研究,获得了宽广的下降倾角范围内(β=0°～90°)的液膜扰动波的阴影图片,揭示了重力对于液膜扰动波发展演变的重要影响.运用数值图像处理方法研究了下降液膜扰动波的特性,定量分析了液膜扰动波的发展变化,迸一步证明了重力对于扰动波发展演变的重要影响,得到了下降液膜扰动波的4个特征区域,绘制了区域随雷诺数和沿程距离的演化图,揭示了雷诺数对于扰动波区域分布的影响.最后通过频谱分析得到了液膜扰动波的扰动频率,获得了与实验一致的结果.     

竖直通道内下降液膜蒸发换热的数值研究

下降液膜蒸发换热是CAP1400型反应堆非能动安全壳采用的重要换热机理,准确计算下降液膜蒸发换热量对非能动安全壳换热性能的评价有至关重要的影响。本文利用ANSYS FLUENT软件二次开发,实现了两种下降液膜蒸发换热模型的构建,并将两种模型计算结果与实验结果进行了对比分析。计算结果表明：两种模型均可较为准确地计算壁面下降液膜的蒸发换热系数;模型1的计算结果更加可靠,但在靠近壁面处需非常精细的网格;模型2在壁面处可使用较粗网格,但计算结果对对流换热系数的依赖较大。     

环状流液膜界面扰动波湍流诱导形成机制研究

为探明环状流液膜界面扰动波形成机制,以准确预测液膜质量输运和干涸(Dryout)型临界热流密度特性,本研究通过将高速摄像与液膜厚度电导传感结合的方法,分别对液膜界面波的演化行为和液膜厚度进行定性可视化分析和定量测量实验。结果表明,高湍动的气芯与液膜的相互作用在液膜界面上形成毫秒级不规则演变的涟波,高频涟波先驱经过一系列秒级自卷积演化成随机分布的扰动波;扰动波形成机制的数学模型表明,液膜界面扰动波的形成时间间隔符合伽马分布,伽马分布阶数与气相速度正相关但独立于液相流速。     

垂直下降液膜波动特性实验研究与谱分析

利用平面激光诱导荧光技术（PLIF）结合数字图像处理对不同Re下液膜厚度的实时变化进行测量。通过MATLAB内建功率谱密度计算函数对液膜波动的时间序列进行进一步的处理,获得了液膜波动特性的功率谱密度(PSD)曲线,对不同Re下的液膜波动规律进行了频谱分析。结果表明：液膜波动具有显著的多频特性,且各频率有优劣之分,孤立波数量虽少,却携带液膜波动的大部分能量,对液膜波动的贡献不可忽略。液膜波动幅度与Re有关并呈现出一定的规律性：小Re时,液膜的波动幅度与Re有强烈的相关性,随Re的增大而增大;中等Re时,液膜的波动幅度基本保持稳定;大Re时,孤立波的出现使液膜波动幅度急剧增大,液膜波动不稳定性增强。     

竖管内蒸发降液膜流动的不稳定性分析

引入能量分析方法,探讨流动的惯性力、气液界面和管壁界面上的表面张力对波动薄液膜的作功机制,从物理上解随液膜流动雷诺数及拢动波长的拉以及液膜波动加剧的规律。分析表明：液膜蒸发条件下的热流率增加造成壁面毛细吸附力维持液稳定的作用降低是导致液膜断裂的主要原因。     

不同壁面特性下液膜铺展性能数值模拟

液膜在安全壳表面的流动铺展性能对非能动安全壳冷却系统有重要的影响。采用三维数值模拟方法研究了降膜板表面形貌、接触角与液相雷诺数对液膜铺展性能的影响,并将结果与前人的实验和理论结果对比,吻合良好。研究发现,当降膜板为横向波纹板时液膜完全铺展时间、液膜厚度及界面湍动程度明显大于平板与纵向波纹板,此时波纹板波谷处会有循环流动产生。随接触角的增加或液相雷诺数的减小,液膜逐渐从完整流转变为片状流、溪流、滴状流。在纵向波纹板对液膜的导流与撕裂综合作用下,随接触角的变化,液膜的铺展性能与平板相比也发生较大的变化。     

竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究

对冷态降液膜在大平板上的流动特性进行了实验研究,运用电容式精密测微仪测定垂直降液膜的厚度,考察了在无蒸发情况下雷诺数对降液膜厚度和流量对液膜覆盖率的影响规律,得到平均膜厚经验关系式,并认为液膜在达到临界膜厚后,随流量增加只会使覆盖率增大而厚度几乎不变,发现同流量下接触角较小的平板上液膜覆盖率较大。     

波形板壁液膜破裂实验研究

设计并搭建了横掠气流下波形板壁液膜破裂可视化研究的实验台架,研究不同液膜厚度下气流速度与液膜破膜速度之间的关系。通过改变液膜流量和气流速度获得不同液膜厚度条件下的临界破膜速度,并利用高速摄像技术对液膜破裂行为进行研究。结果表明,液膜的破裂与气流速度、液膜厚度有关,两者呈负相关性;无量纲分析表明液膜的惯性力和气流剪切力是导致其破裂的不稳定性因素,而壁面粘性力和液膜表面张力则是抑制液膜破裂的稳定性因素;液膜在临界气流剪切力作用下发生破裂的破口是从波形板的屈折角(凸角)开始的,而且液膜可以以不同的形式被卷入到气流中,液膜破裂形态与液膜厚度有关。     

延展表面凝结液膜的动量积分方法

采用动量积分方法分析压水堆发生失水事故时在安全壳的内表面上的液膜凝结、再浸润和蒸发过程。由凝结液膜的质量和动量守恒方程导出了凝结液膜在延展表面的子午线方向平均速度的积分-微分方程。假设液膜以层流的方式流动，把导出的积分-微分方程变成容易进行数值积分的液膜速度的一阶常微分方程，由此求得液膜厚度分布。液膜能量守恒方程的解给出了安全壳内壁面的温度分布。     

气液并流向下通过筛板孔口的液膜厚度模型

通过孔口的收缩-膨胀增强气液接触是强化气液两相传热传质的重要方式,其中孔口边缘的液膜厚度则是建立气液两相传递过程动力学模型的关键参数。基于孔口流动时的气液相力平衡原理,建立了气液两相并流向下通过孔口的液膜厚度模型,并将模型预测的液膜厚度与管道环状流液膜厚度进行了对比分析,表明了新模型的有效性和广泛适用性。基于新建液膜模型,从流体受力的角度分析了气液流量、液相运动黏度以及孔口直径等参数对液膜厚度的影响。结果表明：随气相流量提高,气液界面速度增大,气液界面剪切力增强,无因次液膜厚度随之减薄;液相流量增大,气相流通面积减小,气相流速增大,尽管气液界面剪切力及气液界面速度均有所增大,但液量的直接增量最终导致无因次液膜厚度增厚;液相运动黏度增加,尽管气液界面剪切作用增强,但气液界面速度减小,液膜厚度增厚;相同流量下,孔口直径增大,气液界面剪切力及气液界面速度均减小,液膜厚度随之增加。     

降膜流动行为的数值模拟研究

本文对降膜的流动行为进行了二维和三维的数值模拟。分析了不同雷诺数下降膜的液膜厚度、液膜速度、壁面剪应力。模拟结果与实验值以及理论模型的推导值进行了比较,吻合程度良好。模拟研究表明：三维模拟可再现降膜的表面波动,而二维模拟无法预测这种波动。三维数值模拟得到的瞬态结果也显示了表面波动对液膜速度和壁面剪应力的影响。     

竖壁降液膜流动纵向及水平发展规律研究

采用高频率电容式测厚仪测量并分析了降液膜膜厚和波动的统计规律,得到了降液膜沿竖直大平板流动平均膜厚经验关系式,发现了液膜流动的横向扩展和纵向发展规律。结果表明,降膜在竖直发展2.6 m后可能已基本充分发展。     

平板降膜波动形态的数值研究

采用电容探针和高速摄像对水膜垂直流下平板的波形进行实验测量。根据实验数据对两种典型的波形建立模型并进行数值计算来研究降膜表面波的内部结构。数值计算假设降膜表面波形状不变且忽略空气对降膜表面的剪应力,得到了表面波内部的速度分布和壁面剪应力的分布。数值计算得到的波速和实验测量值吻合良好。在一种大波幅的波形内部发现回流的现象。     

平板过冷流体降膜流动传热特性的数值研究

本文采用电容探针和高速摄像对沿大平板垂直下降液膜的表面波进行了实验测量。根据实验数据对两种典型的波形建立模型。数值计算假设降膜表面波形状不变,且忽略空气对降膜表面的剪应力,对过冷降膜表面波内部的流动和传热特性进行了计算。研究表明：表面波内部液膜的二次涡流对过冷降膜的换热有重要影响。而大波幅的表面波对于换热的增强主要由两方面的效应构成：表面波内部的对流和二次涡流;二次涡流携带大量质能,从而对等效膜厚的减小作用。     

竖直平板降水膜表面波波动特性实验研究

设计与搭建了大尺寸水膜稳定性实验台,并进行竖直平板上降水膜表面波波动特性实验研究。实验中水膜雷诺数Re的范围为20～1200。借助电容式水膜测厚仪和高速摄像仪对水膜表面波形态、波幅、波速和波频等过程参数进行测量与分析。实验结果表明：中低水膜Re条件下孤波振幅、弧波波速分别与水膜Re成正比;孤波频率与水膜Re成弱相关性,入口扰动条件与初始轮廓对孤波频率的影响远大于水膜Re的影响。     

Frequency of Undulations on a Falling Water Film

An experimental study has been undertaken on the frequency of presented by the undulations occurring on the surface of a falling liquid film. The configuration of the film surface was observed by measuring the changes in the film thickness by means of a capacitometer. The flow regime was in the range of turbulent flow region, in which the undulations occur prominently and travel down along with the fluid film. The undulations proceed downward in an almost fixed pattern. The frequency of the passage of crests observed from a fixed point was evaluated from power spectral analysis to be about 20–30Hz, and this value changed very little with the Reynolds number and with heat flux applied to the falling liquid film. It is shown that this constancy of observed frequency is related to the fact that the large undulations move at the same velocity as the bulk of the fluid film, and that the speed of propagation is corresponding to a group velocity for ripples on the film surface.