窄微通道内液膜厚度特性及其在沸腾传热中的应用

发布时间：2020-07-06 18:35

【摘要】：两相流动系统广泛存在于工业生产中,如核反应堆、热交换器、微生物反应器等,其热工参数的检测对传热和流动现象的理解、应用具有重要意义。但由于两相流存在随机可变的相界面,使其流动结构复杂、流型多变,流动过程参数难以测量。两相流流动现象表现为非平稳、多尺度、非线性等特点。液膜厚度的变化作为两相流动中重要参数之一,对整个系统的流动和传热都有重要影响。特别是在窄微通道内,尺寸效应导致液膜厚度对两相流动阻力、传热特性的影响更加明显。因此,有必要开发精度高、响应快的液膜厚度测量技术,为流动换热计算提供更精确参数。基于此,本文开发了两种不同量程的液膜厚度测量传感器,获得了不同工况及尺度下液膜厚度的变化特性,提出了适用于窄微通道内低毛细数下弹状流、环状流流型的液膜厚度关系式,并成功应用到平行微通道换热模型中,与实验计算吻合较好。本文主要内容如下:(1)本文基于印刷电路加工技术开发了测量液膜厚度的传感器电极矩阵,结合高速可视化图像分析,对窄矩形通道内气液两相流动工况下液膜厚度变化规律进行综合分析。实验工况范围内主要流型被分为弹状流、搅混流、环状流和液束环状流。其中弹状流流型下气泡底部液膜厚度变化存在明显的低频信号;搅混流流型下液膜厚度随机性比较明显;环状流流型下液膜厚度时域变化较快但波动幅值较小;液束环状流流型下液膜厚度变化在1 Hz以下存在特征信号。(2)在综合考虑惯性力、表面张力和粘性力综合作用的基础上,对弹状流流型下气泡头部液膜厚度的影响因素使用量纲分析,发现液膜厚度与毛细数和韦伯数相关,提出适用于低毛细数(Ca≤0.03)下的弹状流底部液膜厚度关系式。与弹状流不同的是,环状流流型下平均液膜厚度随液相表观流速的增加而增加,随气相表观流速的增加而减小。但在高气相表观流速下,平均液膜厚度受液相表观流速变化的影响减弱。由于尺度效应的存在,在窄微尺度的环状流流型下,液膜厚度无法使用常规通道的环状流液膜厚度模型预测。本文提出了考虑气芯夹带机制的适用于窄通道内环状流条件下的液膜厚度关系式,与实验误差在±20%以内。(3)由于基于印刷电路工艺制作的传感器存在三维结构和尺寸限制,本文借助光刻技术,在硅基上开发了精度更高的微液膜测量芯片,其量程为0~83μm,不确定度在0.5~1.1μm之间。相对于常规可视化手段,借助该芯片,可获得微通道内的气液界面的三维信息。同时发现在低毛细数(Ca6×10~(-4))下气泡底部仍然存在一层微米级的液膜。(4)为探究微通道流动沸腾系统中的流动和换热特性,本文引入样本熵的概念对平行微通道流动沸腾系统内流动不稳定状态的转变进行定义,发现当流动状态发生改变时热力学系统的样本熵发生明显变化。同时发现系统振荡周期与沸腾数有密切关系。在Thome等提出的三区换热模型基础上引入本文获得的液膜厚度关系式,发现修改后的换热模型能较好的预测微通道系统的换热系数。本文开发的两种不同量程的电学液膜厚度测量传感器,可对不同工况或尺度下的液膜厚度快速、精确测量,获得相应工况下的液膜变化规律。相关数据和规律可为流动换热系统中的模型计算提供基础参数。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：

示意图,换热模型,换热系数,周期性变化

图 1.1 三区换热模型示意图和换热系数周期性变化图[3]Fig. 1.1 Schematic diagram of three-zone model and corresponding periodic variation of heattransfer coefficient[3]该换热模型中有三个难以理论给出的关键参数：汽化核心处汽泡产生频率、始液膜厚度以及干涸时的最小液膜厚度。模型中初始液膜厚度 δ0基于 MoriyamaInoue 的研究[47]，采用式(1.8)计算：00 l 0.84 l h2 0.41 8 8 1/8ph l p h(3 ) [(0.07( ) ) 0.1 ]DC UD U D (1其中的 0是初始液膜经验关系式，Up是液弹和气弹的共同移动速度。该模型中个参数除了需要通过实验数据拟合获得，其模型假设的应用也相对受限。Magnini & Thome[48](2017) 在原有的三区模型上使用新的初始液膜厚度预方法建立弹状流流型下局部换热系数模型。由于目前没有沸腾条件下能准确预液膜厚度的模型，因此在其换热模型中液膜厚度采用基于绝热条件获得的液膜度经验关系式，并发现与实验和模拟结果吻合良好。

示意图,电极结构,示意图,液膜厚度

一个发射端和一个对应的接收端组成，当对电极对施加一定的电势差的液膜厚度发生变化，则其相应的阻抗发生变化，因此可通过测量电流变化即可得知相应的液膜厚度变化。章先通过仿真软件探究电极结构在覆盖液膜时的特性，然后根据仿真路板上加工了 5×5 的传感器矩阵，命名为 SMoPCB（Sensor Matrd Circuit Board，印刷电路板上的传感器矩阵）。将该传感器矩阵布置底部壁面，可对不同工况下气液两相流动时液膜厚度进行测量和特性传感器仿真设计于导电液膜厚度和固定电极间的信号关系，设计了一个同心圆环的电2.1 所示。由于该电极的厚度可忽略不计，因此实验时可将该电极对放。当不同份额的气液两相从电极表面流过的时候，会在电极表面形成于导电液膜厚度的波动，其相应的阻抗发生变化。因此可通过测量流变化获得液膜厚度的变化。

电势分布,电极对,尺寸,发射端

图 2.2 电极对尺寸定义Fig. 2.2 Parameters of the sensor electrode pair的相应尺寸定义如图 2.2 所示，其内环为发射端，直径为径为，外径为。仿真区域如图 2.1 所示，电极处于仿整个腔体充满水。电极厚度忽略不计，腔室的长和宽均为电势差时，电流通过导电水从发射端流向接收端。计算区域而言，由连续性方程有：( ) 0t J E 分别是电流密度和电场，代表水的介电常数。密度，有如下关系：J E 的电导率。计算区域内的电场可有电势分布可知：

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