環(huán)形流動的特征是在通道壁上存在連續(xù)的液膜，氣體通過中心區(qū)域，攜帶著不同數(shù)量的液滴。這兩個區(qū)域(液膜和汽心)被一個界面隔開。它的形狀近似于通道。環(huán)形流動可以在廣泛的工程應用中觀察到，如傳統(tǒng)電廠的蒸發(fā)器和冷凝器，以及大多數(shù)高壓蒸汽-水系統(tǒng)。壓水堆在失冷劑事故和沸水堆的正常運行中也會遇到類似的流動。因此，環(huán)形流的高保真度分析對于有效解決核反應堆的設計、運行和安全問題具有重要意義。
從工程的角度來看，通過引入假設，試圖對動量和能量守恒方程進行實質(zhì)性的簡化，以模擬環(huán)形流動:例如:(1)兩相在通道中分別流動;(2)各區(qū)域內(nèi)的密度保持不變;(3)壁面剪應力恒定。而隨著計算資源的不斷增加，計算流體動力學(CFD)模擬已經(jīng)成為分析和設計具有兩相流的熱液系統(tǒng)的高效工具。在對環(huán)空流動進行CFD模擬的研究中，可以列出開發(fā)和驗證模型所必需的參數(shù)(如壓降、膜厚、膜流量、膜粗糙度、擾動波的振幅和速度、夾帶和沉積速率等)。
來自得克薩斯農(nóng)工大學核工程學院的Joseph Seo等人設計、建造并運行了一套環(huán)空流動實驗裝置，以同心和偏心兩種幾何形狀的外管液膜厚度和波動特性為測量對象，研究壁面上的液膜厚度及其波動特性對局部壓力梯度的影響，用于驗證CFD模型。在以往的研究中，電導探頭、激光誘導熒光(LIF)、激光聚焦位移(LFD)儀、光譜共焦位移傳感器(CCS)等技術被用來研究膜厚和波動特性。文章中作者采用激光聚焦位移(LFD)儀和光譜共焦位移傳感器(CCS)系統(tǒng)進行測量。研究對流沸騰同心和偏心環(huán)幾何情況下的液膜動力學和環(huán)狀流的傳熱特性,并驗證環(huán)狀流沸騰模型。
光譜共焦位移傳感器(CCS)是一種利用色差光學技術測量透明材料的多個表面距離的傳感技術。光譜共焦位移傳感器由光源、透鏡、針孔和光譜儀組成。由多色發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的光通過光纖到達透鏡。這種透鏡的設計是為了產(chǎn)生色差，使不同波長的光具有不同的焦距。因此，在一個表面上反射的光的波長可以用來指示透鏡和表面之間的距離。由于非聚焦光也可能從表面反射，因此在光譜儀的前面安裝了針孔，以濾去與聚焦光不同波長的非聚焦光。使用光譜共焦位移傳感器的好處之一是它可以測量多層物體的厚度，如果這些物體是透明的。這種特性使用戶能夠執(zhí)行非侵入式測量透明管內(nèi)液體薄膜的流動厚度。該系統(tǒng)可以執(zhí)行高采樣頻率(高達10kHz)，精度為1μm。此外，它沒有電噪聲。圖1為光譜共焦位移傳感器采集的數(shù)據(jù)示例。根據(jù)Novec-7000和硼硅酸鹽玻璃的屬性在光譜共焦位移傳感器軟件中進行折射率設置，從而實現(xiàn)了在2000 Hz采樣頻率下測量了基膜的厚度。數(shù)據(jù)中可以看到兩個可區(qū)分的基膜厚度和最大薄膜厚度，如圖1。用光譜共焦位移傳感器測量波浪厚度變化是很困難的。這是因為膜流的形狀，形成了一個大角度的表面，大量測量點超出了傳感器的測量角度范圍，只能夠獲得有限的數(shù)據(jù)。對于表面相對平坦，且變化緩慢的基膜而言，光譜共焦位移傳感器能夠準確測量出其厚度。因此，文章采用光譜共焦位移傳感器來測量基膜的厚度。假設基膜的厚度和膜上的波紋小于0.5 mm，使用0-0.5 mm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。計算總測量時間(10 s)的平均數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)與激光誘導熒光的測量結(jié)果進行交叉驗證。
圖1. 光譜共焦位移傳感器采集數(shù)據(jù)的示例。
盡管由于數(shù)據(jù)點數(shù)量較少而存在不確定性，但當攪拌流占主導地位時，光譜共焦位移傳感器似乎能夠執(zhí)行可靠的測量。然而，激光誘導熒光測量在這種情況下提供了一個比光譜共焦位移傳感器更大的值，因為由于攪拌流情況的顯著誤差而產(chǎn)生了主動混合。除上述兩種情況外，兩種測量系統(tǒng)均表現(xiàn)出良好的一致性。兩個測量系統(tǒng)的結(jié)果之間位于10%的誤差范圍內(nèi)。
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Experimental investigation of the annular flowcaused by convective boiling in a heated annular channel