水平管降膜流动液膜铺展的试验

段林林，高 虹，杨晓宏，田 瑞

(内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010051)

水平管降膜流动液膜铺展的试验

段林林，高 虹，杨晓宏，田 瑞

(内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010051)

为了探究水平管降膜气液两相流的液膜铺展，在常温常压下，利用激光诱导荧光方法，对布液装置为单孔和三孔下的管外降膜流动进行了局部试验研究。通过高速摄像机拍摄，得到了液膜轴向铺展分布随Re的变化，以及三孔下形成的两液柱中心距、液柱之间最厚液膜位置随时间的波动。结果表明，在一定的Re范围内，液膜轴向铺展存在极限；液柱中心距随时间呈周期性变动；最厚液膜在两液柱中心位置略微左右移动，出现在中心位置的几率为30%。

气液两相流；激光诱导荧光；分布；液柱中心距；最厚液膜

1 前言

随着淡水资源的日益匮乏，海水淡化技术越来越受到重视。由于水平管降膜蒸发传热的高效性，其在海水淡化技术领域获得了广阔的应用前景。水平管降膜蒸发器中喷淋海水遇到高温的水平管壁，部分海水在管壁上吸热蒸发，蒸汽向上流动，未蒸发的海水沿水平管向下流动。在低温多效海水蒸馏设备中，蒸发温度在70℃以下[1]，因而具有操作温度低、抗结垢性能好、不易腐蚀等优点。

水平管降膜流动过程复杂，一般将流动分为管外流动和管间流动。对于管外的流动研究主要集中在管壁周向上液膜厚度的变化[2～8]，管间流动的研究主要集中在流型上，如滴状流、柱状流、片状流的形成条件及影响因素的研究[9～11]。目前对于液膜轴向铺展的研究比较少。Chen Xue等利用激光诱导荧光的方法对水平管降膜流动柱状流时的液膜厚度进行了测量，研究发现轴向液膜厚度以液柱间距的中点呈“平稳段-波峰段-平稳段”对称性分布[12]。牟兴森用数值模拟方法研究了单入口下液膜沿管壁的流动，得到液膜在轴向存在铺展极限[13]。张铭对单根液滴/柱进行了三维数值模拟研究，得到了不同操作工况下管间流型、管表面液膜分布以及液体停留时间的变化规律[14]。

实际上管壁液膜轴向铺展一方面决定着管壁液膜是否交会形成波峰，另一方面影响到管间流动是否形成错排流。此外根据液膜轴向铺展规律也可以反过来确定布液器孔间距，为喷淋器的优化设计提供理论依据。

雷诺数Re(或喷淋密度)对水平管降膜流动起着重要的作用，普遍使用的Re定义式为：

Re=4Γ/μ=2M/(μL)

式中Γ——管外单侧液体的质量流速，kg/(m·s)

μ——液体动力黏度，kg/(m·s)

M——液体的总质量流量，kg/s

L——轴向喷淋长度，m

液膜流动是水平管外蒸发侧传热膜系数的主要影响因素之一，研究液膜的流动对于从理论上进一步揭示管外壁传热机理具有重要意义[15]。因此本文在常温常压下、利用激光诱导荧光方法[16,17]，对分布装置的开孔参数为单孔和三孔工况下的管外降膜流动进行局部试验研究，分析单孔与三孔工况下液膜随Re变化在管表面的铺展分布规律，以及三孔工况下形成的相邻液柱间距、相邻液柱间液膜沿管表面轴向铺展的最厚位置随时间的波动。

2 试验系统及试验过程

水平管降膜流动液膜铺展的试验系统如图1所示。试验系统主要包含以下3个部分。(1)流体循环：流体从储水槽流出，经过循环泵、调节阀与转子流量计，进入布液装置喷淋管，流经试验管，最后回到储水箱。流经管壁的液体重量结合称重法获得。(2)水平降膜流动系统：2个布液器分别是直径为2 mm的单孔和三孔，其中三孔的孔中心距为20 mm，布液高度为28.9 mm。水平降膜为光滑铜管，直径19 mm，管间距为28.9 mm。试验前将铜管清洗干净，并保证每根管水平。(3)图像采集系统：釆用激光诱导荧光法进行拍摄，距离测试管0.5 m处的激光发生器产生波长为532 nm的绿色激光。试验所用荧光粉为罗丹明B，其水溶液能被532 nm波长激光应激，释放出峰值波长为580 nm的荧光，本试验中罗丹明B的添加量为0.2 g/L。高速数码相机以每秒500张的速度拍照，相机所采集的图片像素为1024×024pixels。相机的拍摄角度与激光入射角度保持垂直。相机前加置滤光片，用以过滤波长小于550 nm的光线，尤其是激光发出的绿光。

图1 降膜流动试验系统

首先对无液体扰流的蒸发管拍摄做为标定基准，之后调节流量，待液膜稳定，打开激光器，拍摄气液界面的图片。调节流量进行多次拍摄。通过与捕捉的无液体绕流的干管的进行对比，应用计算机图形处理技术进行数据读取，从而获得不同周向角度(如图2)液膜沿管壁轴向的铺展分布特性。

图2 圆管周向角度示意

3 试验结果分析

3.1 液膜轴向铺展长度

图3是单孔工况下液膜在管表面随Re铺展的变化。可以看出，在Re小于80的工况下，流体在管间以滴状流流动，液膜在管表面以近似椭圆形铺展，沿周向和轴向同时向外延伸，但轴向铺展到一定距离后，基本不再延伸，只沿着周向继续铺展，铺展形状呈倒三角形。随喷淋量的增大，液膜沿轴向的较窄部分铺展增大，顶端和底部的铺展距离差缩小。当Re为289左右时，流体流过第二根管后，管间液柱由1个变为2个，液膜铺展进入新的阶段。

(a)Re=29

(b)Re=36

(c)Re=80

(d)Re=289

图3 单孔下液膜随Re铺展分布

图4是三孔工况下液膜在管表面随Re的铺展变化。

(a)Re=120

(b)Re=272

(c)Re=302

(d)Re=312

图4 三孔下液膜随Re铺展分布

从图中可以看出，Re在试验范围内，三孔工况下液膜在管表面顶端和底部沿轴向铺展距离几近相等，铺展形状近似矩形。液膜受力的作用有：液体到达管顶端后惯性力变为轴向和周向的分力，液膜与管表面之间的粘性力，液体的表面张力，以及液体之间的推挤力，由于三孔下轴向铺展距离较单孔的长，此时液膜铺展边缘处受各力沿轴向的合力几乎相等，表现为液膜在轴向的顶端和底部的铺展距离相近。

图5为液膜随Re在单孔沿圆周角度、三孔顶端的铺展长度变化。单孔时，轴向0°处液膜铺展长度在Re小于62时，呈增大趋势，Re增到285之间，基本不变，保持在35.85 mm左右；周向90°处液膜铺展长度随Re增大呈增大的趋势，但增大的幅度先急剧后平缓，180°时液膜铺展长度的变化趋势与90°相似。从图还可以看出，在同一Re数的情况下，0°与90°液膜铺展长度差小于90°与180°的差距，由于90°时，重力的切向分量达到最大值，随角度增大至180°，其值逐渐降低至0[18]。

图5 液膜轴向铺展长度随Re的变化

对于三孔的情况，Re在小于300范围内，周向0°处液膜轴向铺展长度基本不随雷诺数的改变而改变，其均值为54.23 mm。可以看出，在一定的Re范围内，液膜铺展在轴向存在极限。管顶端三孔液膜铺展长度小于3倍单孔铺展长度，是由于三孔下液柱增多，液膜相互碰撞叠加的作用增大。通过液膜的轴向铺展距离，可根据单孔0°处的铺展来设计布液孔间距，使加热蒸发工况时管壁湿润且液膜厚度较薄，进而使传热效率较大。

3.2 液柱中心距

在三孔条件下，本文对管间相邻液柱的中心距进行了研究。从图4可以看出，Re=312，管间液柱从2个变为3个，与布液器流出的液柱产生错位。从图6中可看出，随时间改变，相邻液柱中心距呈周期性变动；且随Re的增加，波动时间变短。Re=172，相邻液柱中心距平均值17.39mm，Re=302，其为20.41mm，而AMI研究结果为液柱间距随Re变大而减小[19]。这是由于在本试验中，Re=302时液膜轴向铺展长度较Re=172时大，两液柱间在轴向的液膜相互干涉的区域变小，故两液柱中心距也变大。

图6 两液柱间距随时间分布

3.3 轴向最厚液膜位置的波动

对布液参数为三孔工况下，拍摄稳定柱状流的降膜流动，观测管表面轴向最厚液膜位置。由于两液柱的流量并不完全一致，导致最厚液膜在两液柱中间位置略微移动。图7是Re=302时管顶端轴向最厚液膜位置在0.8s内每隔0.04s的波动，结果表明，最厚液膜在两液柱的中心位置小幅度左右移动，最厚液膜出现在中心位置的几率为30%。

图7 最厚液膜位置随时间的变化

4 结论

(1)单孔和三孔工况下，在一定的Re范围内，液膜轴向铺展存在极限。单孔下随Re增大，液膜在管表面顶端和底部的轴向铺展长度差值减小。

(2)三孔工况下，两液柱中心距随时间呈周期性变动，Re=302时两液柱中心距较Re=172时大。

(3)最厚液膜在两液柱中心位置略微左右移动，出现在中心位置的几率为30%。

(4)设计布液器孔间距时，Re较小则孔间距不易过大，否则管壁易形成局部干涸；Re较大则孔间距不易过小，否则在管壁形成液体的堆积，不利于液膜传热蒸发。

[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] 许莉,王世昌,王宇新.水平管外壁液膜流动状态及其对传热的影响[J].化工学报,2002,53(6):555-559.

[6] 邱庆刚，水平管外降膜流动液膜厚度数值模拟[J].大连理工大学学报，2013,53(3)：359-363.

[7] 王定标，谷帆江，向飒，等.螺旋内肋扭曲管换热与流阻性能研究 [J].压力容器，2016,33(2):25-29.

[8] 王玉， 杨知我.降膜式蒸发器壳体膨胀节国产化研究 [J].化工设备与管道，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] 罗林聪，张冠敏.异形管束降膜流动流型及波长的分布规律[J].工程热物理学报,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] 牟兴森.横管外降膜流动与蒸发传热研究[D].大连:大连理工大学,2013.

[14] 张铭.传热管外液体流动数值模拟研究[J].化学工业与工程,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] 臧丽叶，田瑞峰.平面激光诱导荧光技术在液膜厚度波动试验研究中的应用[J].原子能科学技术,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

国家自然科学基金资助项目(51266007);内蒙古工业大学风能太阳能利用技术省部共建教育部重点试验室开放基金项目(201409)

TH137;U664.5

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.014

段林林(1987-)，女，硕士研究生，主要从事流体及传热传质的研究，通讯地址：010051 内蒙古呼和浩特市内蒙古工业大学能源与动力工程学院，E-mail:duanlinlin206@163.com。

制冷空调