【摘要】：兩相流動(dòng)系統(tǒng)廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)中,如核反應(yīng)堆、熱交換器、微生物反應(yīng)器等,其熱工參數(shù)的檢測對傳熱和流動(dòng)現(xiàn)象的理解、應(yīng)用具有重要意義。但由于兩相流存在隨機(jī)可變的相界面,使其流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流型多變,流動(dòng)過程參數(shù)難以測量。兩相流流動(dòng)現(xiàn)象表現(xiàn)為非平穩(wěn)、多尺度、非線性等特點(diǎn)。液膜厚度的變化作為兩相流動(dòng)中重要參數(shù)之一,對整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)和傳熱都有重要影響。特別是在窄微通道內(nèi),尺寸效應(yīng)導(dǎo)致液膜厚度對兩相流動(dòng)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(yīng)快的液膜厚度測量技術(shù),為流動(dòng)換熱計(jì)算提供更精確參數(shù)�；诖�,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(xì)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(yīng)用到平行微通道換熱模型中,與實(shí)驗(yàn)計(jì)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(dòng)工況下液膜厚度變化規(guī)律進(jìn)行綜合分析。實(shí)驗(yàn)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(hào);攪混流流型下液膜厚度隨機(jī)性比較明顯;環(huán)狀流流型下液膜厚度時(shí)域變化較快但波動(dòng)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(hào)。(2)在綜合考慮慣性力、表面張力和粘性力綜合作用的基礎(chǔ)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(xì)數(shù)和韋伯?dāng)?shù)相關(guān),提出適用于低毛細(xì)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(yīng)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(yù)測。本文提出了考慮氣芯夾帶機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)在低毛細(xì)數(shù)(Ca6×10~(-4))下氣泡底部仍然存在一層微米級(jí)的液膜。(4)為探究微通道流動(dòng)沸騰系統(tǒng)中的流動(dòng)和換熱特性,本文引入樣本熵的概念對平行微通道流動(dòng)沸騰系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行定義,發(fā)現(xiàn)當(dāng)流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)熱力學(xué)系統(tǒng)的樣本熵發(fā)生明顯變化。同時(shí)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(chǔ)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(yù)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(xué)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(yīng)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(dòng)換熱系統(tǒng)中的模型計(jì)算提供基礎(chǔ)參數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(gè)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(shí)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(jì)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(yàn)關(guān)系式，Up是液彈和氣彈的共同移動(dòng)速度。該模型中個(gè)參數(shù)除了需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得，其模型假設(shè)的應(yīng)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(yù)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(zhǔn)確預(yù)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(yàn)關(guān)系式，并發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果吻合良好。

一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)對應(yīng)的接收端組成，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(shí)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(dòng)時(shí)液膜厚度進(jìn)行測量和特性傳感器仿真設(shè)計(jì)于導(dǎo)電液膜厚度和固定電極間的信號(hào)關(guān)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)同心圓環(huán)的電2.1 所示。由于該電極的厚度可忽略不計(jì)，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)可將該電極對放。當(dāng)不同份額的氣液兩相從電極表面流過的時(shí)候，會(huì)在電極表面形成于導(dǎo)電液膜厚度的波動(dòng)，其相應(yīng)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(yīng)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(gè)腔體充滿水。電極厚度忽略不計(jì)，腔室的長和寬均為 電勢差時(shí)，電流通過導(dǎo)電水從發(fā)射端流向接收端。計(jì)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(dǎo)率。計(jì)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(hào)：2743984