可变角度大平板降膜流动特性的实验研究
暴凯，胡珀，黄兴冠
（上海交通大学，上海200240）
滴要：本文进行可转动平板降膜流动特性的实验研究，特别是探索不网雷诺数下水膜厚度的变化规律.实验中应用光学共焦探头测量水膜厚度，十字激光定位仪测量水膜覆盖宽度.根据不同平板角度的实 验结果，得到膜厚最佳损合公式，并且与其他相关公式进行比较分析，覆盖率的研究结果表明，水膜在达到临界膜厚后，流量增加只会使覆垂率增大而厚度基本不变，这与相关理论研究得到比较一致的结果.此外，还进行不同平板倾角的覆盖率变化规律的研究.
关键调：转动：降膜：膜厚：覆盖率
中国分类号：TL3 文章标志码：A
文章编号：0258-0918（2015)02-0379-06
ExperimentalStudy ofWaterFilmFlowCharacteristics on theRotatable Large FlatPlate
BAO Kai HU Po HUANG Xing-guan
(Shanghai Jiao Tong Uaiversity Shanghai 200240 China)
Abstract; This paper studies the falling film flow characteristics on the rotatable flat plate. Inthe experiment the thickness of water film is measured by the optical confocal probe and thewater film width by the cross laser positioning system. The best fitting correlation is obtainedbasing on the experiment results of different angles and it is pared with other correlations. The study of the coverage rate indicates that when rcaching the critical filmthickness increasing of the flow rate will only increase the coverage rate. In addition study ofthe coverage rate variation of different flat angle is also conducted.
Key words: rotatables falling film; film thickness; coverage rate
液体薄膜流作为一项高效的传热传质技术强化问题.近年来，随着AP1000第三代的核被广泛应用，其优点为流量小、温差小、具有较电技术引进和兴起，其非能动特点被广泛关注.高传热传质系数和热流密度，特别是用来解非能动安全壳冷却系统（PCCS）作为包容放决在高技术领域中遇到的高热流密度下的换热射性产物的最后一道屏障对保证核电厂安全具
有重要意义.在非能动安全壳冷却系统中，安严重事故发生以后，安全壳内压力升高，在达到 全壳表面的水膜流动是一项重要的冷却措施.安全壳高压整定值后自动触发PCCS投人，冷却水从安全壳顶部的储水箱中流出经流量分配
装置分配后在安全壳外表面形成水膜.
平板上液膜的厚度、速度分布和避免剪切应力， 实验结果表明Nusselt层流理论低估了液膜厚度面高估了液膜速度，在研究平板降膜的实验中大都受限于实验平板的尺度，这很难完整的反映水膜的流动特性，为了更好地研究降膜研究在冷态条件下，水膜厚度以及覆盖率特性， 流动特性，本文在可转动大平板上进行实验，
降膜流动特性备受关注，国内外进行了较多研究.比如蒋章焰等人研究了垂直管外降液膜的流动特性；Karapantsios”等人重点研究了垂直管外液膜流动纵向发展规律：Moran] 等人的实验测量了Re在11~220范围内倾斜
1实验装置及测量方法
1.1实验流程
水膜实验装置如图1所示.
图1水膜实验装置
Fig. 1 Water film stability experiment faeility
实验装置由供水系统、实验平板以及测量系统三部分组成，在输水管路上有电磁流量计 和电动阀，电磁流量计实时记录出水流量，电动阀控制水流量稳定.实验钢板尺寸为1.2m×5m.厚度为2.5mm，表面涂有Carboline无机富锌涂层，平板表面公差最大为5mm.实验钢流动.实验过程中水由水泵抽人水膜分配箱中， 板外安装了树脂玻璃，可透过树脂玻璃观测水膜以漫溢的方式从水膜分配箱流出沿平板展开，水温保持在室温（5~10），不会对水膜厚度测量产生影响，实验钢板可在9为0至90内转动.
中会出现两个峰，分别是水膜的上下表面反射所致，其测量原理如图2所示.
1.2测量方法
1.2.1水膜厚度测量方法
水膜厚度测量采用光学共焦测量法[](confocal layer thickness measurement)，该方法具有操作简单、精度高的优点并且不会影响 水膜的流动.水膜在测量区城内，反射的光谱
图2光学共焦测量法Fig. 2 Confocal layer thickness messurement
仪进行标定，在测量范图内，测量结果的 采用对标准平晶件测量的方法对膜厚测量
差值比均小于0.3%.图3为水膜厚度探头标定结果.
图3膜厚探头标定结果Fig. 3 Film thickness probe calibration results
1.2.2水膜宽度测量方法
在平板外有机玻璃罩上配有标尺，使用十字激光定位仪测量水膜覆盖宽度，采用对标准长度试样测量的方法对该方法进行验证，在测 量范围内，测量结果的差值比均小于1%.图4是测量结果与标准长度的标定曲线.
图4宽度测量标定结果Fig. 4Width measurement calibration results
2结果与讨论
2.1水腹厚度
流体降液膜流动的N-S方程可表述为：
其中：p为流体密度；v为速度矢量；Vp为压强梯度：g为重力矢量：为流体动力黏度.
Nusselt于1916年提出液膜层流模型，假
设液膜表面平滑无波动，无向上的混流，流体为层流流动，气液界面剪切力为零，物性参数恒定，液膜厚度处处相等.在降液膜的流动过程中，流体所受黏性力和惯性力决定流动形态，即 Re是决定降液膜流动的重要参数.
降液膜雷诺数计算公式为：
其中：r为体积流量；L为降液膜在平板上的湿 周：v为流体的运动黏度.
在层流假设情况下液膜平均厚度8为：
对经验关系式进行无量纲化处理：
其中：十为无量纲平均膜厚；特征切应力t可由壁面切应力r和汽液界面切应力r导出.对于该实验中降液膜的r=0，r可由流体受力平衡 计算得到，对于垂直降液膜，t=pg，可得到层流理论假设时的无量纲膜厚关系式.
Takahama和Karapantsios是基于垂直管外降液膜的实验，而本文是基于可转动大平板降膜 实验.表1列出了相关降液膜实验的实验条件.
表1实验条件对比
Table 1 Working conditions of experiments
研突者 实验条件 实验台架 测量方法Takshsma 常湿、常压 5 cm，高2m 竖直管，直径 电容报针 电春法竖直音.直径Karapantsios 常源、常压 5cm，离2.65m 电导针本文 常湿、常压 可转动板， 光学共焦宽1.2m，长5m 探头
本文相比于Takahama和Karapantsios等人的实验有了较大的改进：
的，这样可以比较完整的反映水膜的流动特性： （1）本文实验是在较大尺度的台架上完成
（2）水膜厚度测量空间均布9点取平均值，每点测量时间为5min，频率为1000次/s，相比单点测量更加能反映全板尺度内的水膜平均厚度：
（3）实验大平板可转动，得到了在全角度下的拟合公式，使得膜厚经验关系式使用范圈更加广泛；
根据实验结果，将Re对水膜的平均厚度进行了拟合，得到了适用于本文的一个最佳拟合公式：
（4）在水膜厚度的测量方式上也有了较大的改善，用光学共焦探头取代了最初的电容探针测量方法，光学共焦探头测量相比电容法测量具有学测量方法能更加精确的反应水膜的实际厚度. 更高的精度，水膜厚度本身就是一个小量，使用光
图6为拟合结果及误差带.从图中可以看出，实验测量结果与拟合结果误差不超过10%，符合情况较好.
图5示出了本文结果与Nusselt理论层流模型和Takahama以及Karapantsios结果进行无量纲化后的对比，可以发现在Re较小时，水膜厚度 的绝对值较小，各种因素很微小的扰动都会造成误差偏大.在较大Re下，符合情况较好.
图6本文拟合关系式Fig 6 The fitting relationship
pantsios以及本文的经验关系式和无量纲化膜 Nusselt层流理论模型、Takahama、Kara厚关系式列于表2.
图5不同Re下无量纲化平均膜厚的变化 Fig 5 Variation of dimensionless averagefilm thickness with different Re
Table 2 Correlations of average film thickne 表2液膜平均厚度实验关系式
研究内容 经验关系式 无量纲化关系式 适用范摆Nusselt =0 posR1/(²/gxing)1/3 0<Rr<1 000~2 000Takzhama 等 8=0. 228Re.5B (v² /g)1/s =0.089Rr. 0<Re<1 000Karspantsios =0. 214Rea(/g)1/ * =0.081R.m 350<Re<10 000本文 =1 05R (/g sind)/ *=0.878R4. 0<Re<1 000 图7、图8、图9分别示出了0为90°、40°、2以及图7、图8、图9可以看出，本文试验结果 15时雷诺数Re与水膜厚度.的关系，结合表和理论层流模型结果相近，在工况条件下本文试验结果都比层流理论模型结果偏大但相差都不超过15%，这也符合了Moran等人的实 验结果.与Takahama等人的试验结果相差为基甲%0~%0身的不同会造成结果的不同，膜厚测量设备的 改进也可能会导致结果的差异. 2.2水膜覆盖率 在6个不同的高度下（距平板底部0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、3.0m、4.0m）采用十字激光定位仪测量钢板水膜宽度，为了估测水膜的覆盖率，定义了如下的两个无量 纲数： 图79一90时Re与水膜膜厚的关系Fig.7When 8=90*.Re relationshipwith the liquid film thicikness 图89=40时Re与水膜膜厚的关系Fig. 8 Wben 940° Re relationship with the liquid film thickness 8 图9θ=15°时Re与水膜膜厚的关系Fig. 9 When 9=15′ Re relationship with the liquid film thiekness 8 这里的L指试验板某一高度下的湿周长度，个不同高度下的水膜覆盖率平均值，表3列出 L指试验板的宽度：C指某一个试验工况下.6了实验矩阵. 表3实验矩阵Table 3Experimental matrix 平板缓角/（°） 水膜流量/（kg/s）15 ① 0.10 ① 0.02 0.04 0.125 0.20 ③ 0. 05① 0. 30 0. 40 @ 0.50①0.02 ② 0.04 ③ 0. 0540 ①0.10 ①0.30 0.125 B 0. 40 @0.20 @0.50 图10示出了相同水膜流量下不同平板倾角的覆盖率情况，从图中可以看出，由于受到角大；在流量较小时覆盖率相差较小，随着流量的 度的影响，相同水膜流量下，角度越小覆盖率越增加差值也随之增大；平板倾角15比40的覆盖率大20%~30%. 图10相同水膜流量不同倾角下的水膜覆盖率 Fig. 10 Liquid film coverage rate under thesame flow rate different inclination 根据Doniec液膜能量最小原理，液膜存在临界厚度： 式中：.为临界最大厚度：o为汽液表面自由能差；9为接触角. 图11示出在不同流量下水膜覆盖率和膜厚的变化，可发现随着流量增大，水膜厚度和
