【摘要】：兩相流動系統(tǒng)廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)中,如核反應堆、熱交換器、微生物反應器等,其熱工參數(shù)的檢測對傳熱和流動現(xiàn)象的理解、應用具有重要意義。但由于兩相流存在隨機可變的相界面,使其流動結(jié)構(gòu)復雜、流型多變,流動過程參數(shù)難以測量。兩相流流動現(xiàn)象表現(xiàn)為非平穩(wěn)、多尺度、非線性等特點。液膜厚度的變化作為兩相流動中重要參數(shù)之一,對整個系統(tǒng)的流動和傳熱都有重要影響。特別是在窄微通道內(nèi),尺寸效應導致液膜厚度對兩相流動阻力、傳熱特性的影響更加明顯。因此,有必要開發(fā)精度高、響應快的液膜厚度測量技術(shù),為流動換熱計算提供更精確參數(shù)。基于此,本文開發(fā)了兩種不同量程的液膜厚度測量傳感器,獲得了不同工況及尺度下液膜厚度的變化特性,提出了適用于窄微通道內(nèi)低毛細數(shù)下彈狀流、環(huán)狀流流型的液膜厚度關(guān)系式,并成功應用到平行微通道換熱模型中,與實驗計算吻合較好。本文主要內(nèi)容如下:(1)本文基于印刷電路加工技術(shù)開發(fā)了測量液膜厚度的傳感器電極矩陣,結(jié)合高速可視化圖像分析,對窄矩形通道內(nèi)氣液兩相流動工況下液膜厚度變化規(guī)律進行綜合分析。實驗工況范圍內(nèi)主要流型被分為彈狀流、攪混流、環(huán)狀流和液束環(huán)狀流。其中彈狀流流型下氣泡底部液膜厚度變化存在明顯的低頻信號;攪混流流型下液膜厚度隨機性比較明顯;環(huán)狀流流型下液膜厚度時域變化較快但波動幅值較小;液束環(huán)狀流流型下液膜厚度變化在1 Hz以下存在特征信號。(2)在綜合考慮慣性力、表面張力和粘性力綜合作用的基礎上,對彈狀流流型下氣泡頭部液膜厚度的影響因素使用量綱分析,發(fā)現(xiàn)液膜厚度與毛細數(shù)和韋伯數(shù)相關(guān),提出適用于低毛細數(shù)(Ca≤0.03)下的彈狀流底部液膜厚度關(guān)系式。與彈狀流不同的是,環(huán)狀流流型下平均液膜厚度隨液相表觀流速的增加而增加,隨氣相表觀流速的增加而減小。但在高氣相表觀流速下,平均液膜厚度受液相表觀流速變化的影響減弱。由于尺度效應的存在,在窄微尺度的環(huán)狀流流型下,液膜厚度無法使用常規(guī)通道的環(huán)狀流液膜厚度模型預測。本文提出了考慮氣芯夾帶機制的適用于窄通道內(nèi)環(huán)狀流條件下的液膜厚度關(guān)系式,與實驗誤差在±20%以內(nèi)。(3)由于基于印刷電路工藝制作的傳感器存在三維結(jié)構(gòu)和尺寸限制,本文借助光刻技術(shù),在硅基上開發(fā)了精度更高的微液膜測量芯片,其量程為0~83μm,不確定度在0.5~1.1μm之間。相對于常規(guī)可視化手段,借助該芯片,可獲得微通道內(nèi)的氣液界面的三維信息。同時發(fā)現(xiàn)在低毛細數(shù)(Ca6×10~(-4))下氣泡底部仍然存在一層微米級的液膜。(4)為探究微通道流動沸騰系統(tǒng)中的流動和換熱特性,本文引入樣本熵的概念對平行微通道流動沸騰系統(tǒng)內(nèi)流動不穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變進行定義,發(fā)現(xiàn)當流動狀態(tài)發(fā)生改變時熱力學系統(tǒng)的樣本熵發(fā)生明顯變化。同時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)振蕩周期與沸騰數(shù)有密切關(guān)系。在Thome等提出的三區(qū)換熱模型基礎上引入本文獲得的液膜厚度關(guān)系式,發(fā)現(xiàn)修改后的換熱模型能較好的預測微通道系統(tǒng)的換熱系數(shù)。本文開發(fā)的兩種不同量程的電學液膜厚度測量傳感器,可對不同工況或尺度下的液膜厚度快速、精確測量,獲得相應工況下的液膜變化規(guī)律。相關(guān)數(shù)據(jù)和規(guī)律可為流動換熱系統(tǒng)中的模型計算提供基礎參數(shù)。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK124
【圖文】：

圖 1.1 三區(qū)換熱模型示意圖和換熱系數(shù)周期性變化圖[3]Fig. 1.1 Schematic diagram of three-zone model and corresponding periodic variation of heattransfer coefficient[3]該換熱模型中有三個難以理論給出的關(guān)鍵參數(shù)：汽化核心處汽泡產(chǎn)生頻率、始液膜厚度以及干涸時的最小液膜厚度。模型中初始液膜厚度 δ0基于 MoriyamaInoue 的研究[47]，采用式(1.8)計算：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是初始液膜經(jīng)驗關(guān)系式，Up是液彈和氣彈的共同移動速度。該模型中個參數(shù)除了需要通過實驗數(shù)據(jù)擬合獲得，其模型假設的應用也相對受限。Magnini & Thome[48](2017) 在原有的三區(qū)模型上使用新的初始液膜厚度預方法建立彈狀流流型下局部換熱系數(shù)模型。由于目前沒有沸騰條件下能準確預液膜厚度的模型，因此在其換熱模型中液膜厚度采用基于絕熱條件獲得的液膜度經(jīng)驗關(guān)系式，并發(fā)現(xiàn)與實驗和模擬結(jié)果吻合良好。

一個發(fā)射端和一個對應的接收端組成，當對電極對施加一定的電勢差的液膜厚度發(fā)生變化，則其相應的阻抗發(fā)生變化，因此可通過測量電流變化即可得知相應的液膜厚度變化。章先通過仿真軟件探究電極結(jié)構(gòu)在覆蓋液膜時的特性，然后根據(jù)仿真路板上加工了 5×5 的傳感器矩陣，命名為 SMoPCB（Sensor Matrd Circuit Board，印刷電路板上的傳感器矩陣）。將該傳感器矩陣布置底部壁面，可對不同工況下氣液兩相流動時液膜厚度進行測量和特性傳感器仿真設計于導電液膜厚度和固定電極間的信號關(guān)系，設計了一個同心圓環(huán)的電2.1 所示。由于該電極的厚度可忽略不計，因此實驗時可將該電極對放。當不同份額的氣液兩相從電極表面流過的時候，會在電極表面形成于導電液膜厚度的波動，其相應的阻抗發(fā)生變化。因此可通過測量流變化獲得液膜厚度的變化。

圖 2.2 電極對尺寸定義Fig. 2.2 Parameters of the sensor electrode pair的相應尺寸定義如圖 2.2 所示，其內(nèi)環(huán)為發(fā)射端，直徑為 徑為 ，外徑為 。仿真區(qū)域如圖 2.1 所示，電極處于仿整個腔體充滿水。電極厚度忽略不計，腔室的長和寬均為 電勢差時，電流通過導電水從發(fā)射端流向接收端。計算區(qū)域而言，由連續(xù)性方程有：( ) 0t J E 分別是電流密度和電場， 代表水的介電常數(shù)。密度，有如下關(guān)系：J E 的電導率。計算區(qū)域內(nèi)的電場可有電勢分布可知：

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本文編號：2743984