段林林，高 虹，楊曉宏，田 瑞

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

水平管降膜流動(dòng)液膜鋪展的試驗(yàn)

段林林，高 虹，楊曉宏，田 瑞

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)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(dǎo)熒光方法，對(duì)布液裝置為單孔和三孔下的管外降膜流動(dòng)進(jìn)行了局部試驗(yàn)研究。通過(guò)高速攝像機(jī)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(shí)間的波動(dòng)。結(jié)果表明，在一定的Re范圍內(nèi)，液膜軸向鋪展存在極限；液柱中心距隨時(shí)間呈周期性變動(dòng)；最厚液膜在兩液柱中心位置略微左右移動(dòng)，出現(xiàn)在中心位置的幾率為30%。

氣液兩相流；激光誘導(dǎo)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(shù)越來(lái)越受到重視。由于水平管降膜蒸發(fā)傳熱的高效性，其在海水淡化技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣闊的應(yīng)用前景。水平管降膜蒸發(fā)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(fā)，蒸汽向上流動(dòng)，未蒸發(fā)的海水沿水平管向下流動(dòng)。在低溫多效海水蒸餾設(shè)備中，蒸發(fā)溫度在70℃以下[1]，因而具有操作溫度低、抗結(jié)垢性能好、不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

水平管降膜流動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，一般將流動(dòng)分為管外流動(dòng)和管間流動(dòng)。對(duì)于管外的流動(dòng)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(dòng)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(duì)于液膜軸向鋪展的研究比較少。Chen Xue等利用激光誘導(dǎo)熒光的方法對(duì)水平管降膜流動(dòng)柱狀流時(shí)的液膜厚度進(jìn)行了測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)軸向液膜厚度以液柱間距的中點(diǎn)呈“平穩(wěn)段-波峰段-平穩(wěn)段”對(duì)稱性分布[12]。牟興森用數(shù)值模擬方法研究了單入口下液膜沿管壁的流動(dòng)，得到液膜在軸向存在鋪展極限[13]。張銘對(duì)單根液滴/柱進(jìn)行了三維數(shù)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(shí)間的變化規(guī)律[14]。

實(shí)際上管壁液膜軸向鋪展一方面決定著管壁液膜是否交會(huì)形成波峰，另一方面影響到管間流動(dòng)是否形成錯(cuò)排流。此外根據(jù)液膜軸向鋪展規(guī)律也可以反過(guò)來(lái)確定布液器孔間距，為噴淋器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

雷諾數(shù)Re(或噴淋密度)對(duì)水平管降膜流動(dòng)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?cè)液體的質(zhì)量流速，kg/(m·s)

μ——液體動(dòng)力黏度，kg/(m·s)

M——液體的總質(zhì)量流量，kg/s

L——軸向噴淋長(zhǎng)度，m

液膜流動(dòng)是水平管外蒸發(fā)側(cè)傳熱膜系數(shù)的主要影響因素之一，研究液膜的流動(dòng)對(duì)于從理論上進(jìn)一步揭示管外壁傳熱機(jī)理具有重要意義[15]。因此本文在常溫常壓下、利用激光誘導(dǎo)熒光方法[16,17]，對(duì)分布裝置的開孔參數(shù)為單孔和三孔工況下的管外降膜流動(dòng)進(jìn)行局部試驗(yàn)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(guī)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(shí)間的波動(dòng)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)過(guò)程

水平管降膜流動(dòng)液膜鋪展的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包含以下3個(gè)部分。(1)流體循環(huán)：流體從儲(chǔ)水槽流出，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵、調(diào)節(jié)閥與轉(zhuǎn)子流量計(jì)，進(jìn)入布液裝置噴淋管，流經(jīng)試驗(yàn)管，最后回到儲(chǔ)水箱。流經(jīng)管壁的液體重量結(jié)合稱重法獲得。(2)水平降膜流動(dòng)系統(tǒng)：2個(gè)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(yàn)前將銅管清洗干凈，并保證每根管水平。(3)圖像采集系統(tǒng)：釆用激光誘導(dǎo)熒光法進(jìn)行拍攝，距離測(cè)試管0.5 m處的激光發(fā)生器產(chǎn)生波長(zhǎng)為532 nm的綠色激光。試驗(yàn)所用熒光粉為羅丹明B，其水溶液能被532 nm波長(zhǎng)激光應(yīng)激，釋放出峰值波長(zhǎng)為580 nm的熒光，本試驗(yàn)中羅丹明B的添加量為0.2 g/L。高速數(shù)碼相機(jī)以每秒500張的速度拍照，相機(jī)所采集的圖片像素為1024×024pixels。相機(jī)的拍攝角度與激光入射角度保持垂直。相機(jī)前加置濾光片，用以過(guò)濾波長(zhǎng)小于550 nm的光線，尤其是激光發(fā)出的綠光。

圖1 降膜流動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

首先對(duì)無(wú)液體擾流的蒸發(fā)管拍攝做為標(biāo)定基準(zhǔn)，之后調(diào)節(jié)流量，待液膜穩(wěn)定，打開激光器，拍攝氣液界面的圖片。調(diào)節(jié)流量進(jìn)行多次拍攝。通過(guò)與捕捉的無(wú)液體繞流的干管的進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(yàn)結(jié)果分析

3.1 液膜軸向鋪展長(zhǎng)度

圖3是單孔工況下液膜在管表面隨Re鋪展的變化?？梢钥闯觯赗e小于80的工況下，流體在管間以滴狀流流動(dòng)，液膜在管表面以近似橢圓形鋪展，沿周向和軸向同時(shí)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(xù)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(dāng)Re為289左右時(shí)，流體流過(guò)第二根管后，管間液柱由1個(gè)變?yōu)?個(gè)，液膜鋪展進(jìn)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(yàn)范圍內(nèi)，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(dá)管頂端后慣性力變?yōu)檩S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(zhǎng)，此時(shí)液膜鋪展邊緣處受各力沿軸向的合力幾乎相等，表現(xiàn)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(zhǎng)度變化。單孔時(shí)，軸向0°處液膜鋪展長(zhǎng)度在Re小于62時(shí)，呈增大趨勢(shì)，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(zhǎng)度隨Re增大呈增大的趨勢(shì)，但增大的幅度先急劇后平緩，180°時(shí)液膜鋪展長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)與90°相似。從圖還可以看出，在同一Re數(shù)的情況下，0°與90°液膜鋪展長(zhǎng)度差小于90°與180°的差距，由于90°時(shí)，重力的切向分量達(dá)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(zhǎng)度隨Re的變化

對(duì)于三孔的情況，Re在小于300范圍內(nèi)，周向0°處液膜軸向鋪展長(zhǎng)度基本不隨雷諾數(shù)的改變而改變，其均值為54.23 mm?？梢钥闯?，在一定的Re范圍內(nèi)，液膜鋪展在軸向存在極限。管頂端三孔液膜鋪展長(zhǎng)度小于3倍單孔鋪展長(zhǎng)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(guò)液膜的軸向鋪展距離，可根據(jù)單孔0°處的鋪展來(lái)設(shè)計(jì)布液孔間距，使加熱蒸發(fā)工況時(shí)管壁濕潤(rùn)且液膜厚度較薄，進(jìn)而使傳熱效率較大。

3.2 液柱中心距

在三孔條件下，本文對(duì)管間相鄰液柱的中心距進(jìn)行了研究。從圖4可以看出，Re=312，管間液柱從2個(gè)變?yōu)?個(gè)，與布液器流出的液柱產(chǎn)生錯(cuò)位。從圖6中可看出，隨時(shí)間改變，相鄰液柱中心距呈周期性變動(dòng)；且隨Re的增加，波動(dòng)時(shí)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(jié)果為液柱間距隨Re變大而減小[19]。這是由于在本試驗(yàn)中，Re=302時(shí)液膜軸向鋪展長(zhǎng)度較Re=172時(shí)大，兩液柱間在軸向的液膜相互干涉的區(qū)域變小，故兩液柱中心距也變大。

圖6 兩液柱間距隨時(shí)間分布

3.3 軸向最厚液膜位置的波動(dòng)

對(duì)布液參數(shù)為三孔工況下，拍攝穩(wěn)定柱狀流的降膜流動(dòng)，觀測(cè)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(dǎo)致最厚液膜在兩液柱中間位置略微移動(dòng)。圖7是Re=302時(shí)管頂端軸向最厚液膜位置在0.8s內(nèi)每隔0.04s的波動(dòng)，結(jié)果表明，最厚液膜在兩液柱的中心位置小幅度左右移動(dòng)，最厚液膜出現(xiàn)在中心位置的幾率為30%。

圖7 最厚液膜位置隨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

(1)單孔和三孔工況下，在一定的Re范圍內(nèi)，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(zhǎng)度差值減小。

(2)三孔工況下，兩液柱中心距隨時(shí)間呈周期性變動(dòng)，Re=302時(shí)兩液柱中心距較Re=172時(shí)大。

(3)最厚液膜在兩液柱中心位置略微左右移動(dòng)，出現(xiàn)在中心位置的幾率為30%。

(4)設(shè)計(jì)布液器孔間距時(shí)，Re較小則孔間距不易過(guò)大，否則管壁易形成局部干涸；Re較大則孔間距不易過(guò)小，否則在管壁形成液體的堆積，不利于液膜傳熱蒸發(fā)。

[1] Khawaji A D，Kutubkhanah I K.Advances in seawater desalination technologies[J].Desalination， 2008，221(1-3)：47-69.

[2] NUSSELT W.The condition of stream on cooling surface[J].Chem Engineering Funds,1982,1(2):6-19.

[3] Gstoehl D,Roques J F,Crisinel P.Measurement of Falling Film Thickness Around a Horizontal Tube Using a Laser Measurement Technique [J].Heat Transer Engineering,2004,25(8):28-34.

[4] Mohamed A M I.Flow behavior of liquid falling film on a horizontal rotating tube[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2007,31:325-332.

[5] 許莉,王世昌,王宇新.水平管外壁液膜流動(dòng)狀態(tài)及其對(duì)傳熱的影響[J].化工學(xué)報(bào),2002,53(6):555-559.

[6] 邱慶剛，水平管外降膜流動(dòng)液膜厚度數(shù)值模擬[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,53(3)：359-363.

[7] 王定標(biāo)，谷帆江，向颯，等.螺旋內(nèi)肋扭曲管換熱與流阻性能研究 [J].壓力容器，2016,33(2):25-29.

[8] 王玉， 楊知我.降膜式蒸發(fā)器殼體膨脹節(jié)國(guó)產(chǎn)化研究 [J].化工設(shè)備與管道，2015,52(5):1-4.

[9] CHUNG Han-shik.Liquid film falling behaviour on horizontal circular cylinder[J].J.Cent.South Univ.2012,19: 1353-1358.

[10] Hu X,Jacobi A M.The Intertube Falling Film: Part 1-Flow Characteristics,Mode Transitions,and Hysteresis[J].J Heat Transfer,1996,118: 616-625.

[11] 羅林聰，張冠敏.異形管束降膜流動(dòng)流型及波長(zhǎng)的分布規(guī)律[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2015,36(3):636-640.

[12] Xue Chen,Shengqiang Shen.Measurement on falling film thickness distribution around horizontaltube with laser-induced fluorescence technology[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2015,89:707-713.

[13] 牟興森.橫管外降膜流動(dòng)與蒸發(fā)傳熱研究[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[14] 張銘.傳熱管外液體流動(dòng)數(shù)值模擬研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2011,28(3):54-58.

[15] Gherhardt Ribatski,Anthony M Jacobi.Falling-film evaporation on horizontal tubes—a critical review[J].International Journal of Refrigeration ,2005,28:635-653.

[16] 臧麗葉，田瑞峰.平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)在液膜厚度波動(dòng)試驗(yàn)研究中的應(yīng)用[J].原子能科學(xué)技術(shù),2014,48(9):1654-1659.

[17] Alexandros Charogiannis.A simultaneous planar laser-induced fluorescence,particle image velocimetry and particle tracking velocimetry technique for the investigation of thin liquid-film flows[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2015(68)：516-536.

[18] Qinggang Qiu,Xiaojing Zhu.Numerical study of falling film thickness over fully wetted horizontal round tube[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2015,84:893-897.

[19] Mohamed A M I.Experimental study of heat transfer and flow characteristics of liquid falling film on a horizontal fluted tube[J].Heat Mass Transfer,2010,46:841-849.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51266007);內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室開放基金項(xiàng)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(zhì)的研究，通訊地址：010051 內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，E-mail:duanlinlin206@163.com。

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