立式波形板壁面液膜波动及横掠气流下破裂特性研究

摘要

波形板汽水分离器在核能领域得到广泛的应用，但是板壁液膜破裂产生的二次携带问题是限制波形板汽水分离器分离效率进一步提高的主要因素之一，因此对于高效汽水分离设备的优化设计而言，弄清波形板壁液膜的破裂机理具有重要意义。
　　本文研究内容包括两部分：一是针对竖壁自由降液膜的波动特性进行实验研究和功率谱分析；二是针对波形板汽水分离器板壁液膜在气流横掠条件下的破裂现象进行实验研究和理论分析。为此本文设计并搭建了自由表面降液膜波动不稳定性实验台架和气流横掠作用下波形板壁液膜破裂可视化研究的实验台架。
　　在自由表面降液膜波动特性的研究中，本文利用平面激光诱导荧光技术（PLIF）结合数字图像处理技术对不同雷诺下和不同高度位置处液膜厚度的实时变化进行测量。通过MATALAB内建功率谱密度计算函数对液膜波动的时间序列进行进一步的处理，获得了液膜波动特性的功率谱密度(PSD)曲线，对不同工况下的液膜波动规律进行了频谱分析。研究表明：液膜波动具有显著的多频特性，且各频率有优劣之分，孤立波数量虽少，却携带着液膜波动的大部分能量，对液膜波动的贡献不可忽略；液膜波动幅度与Re有关并呈现出一定的规律性。
　　针对波形板壁液膜在气流横掠条件下的破裂现象。本文实验研究了不同液膜厚度下，气流速度与液膜破膜速度之间的关系。通过改变液膜流量和气流速度获得不同液膜厚度条件下的临界破膜速度，并利用高速摄像技术对液膜破裂行为进行了研究。结果表明：液膜在临界气流剪切力作用下发生破裂的破口是从波形板的屈折角（凸角）开始的，而且液膜可以以不同的形式被卷入到气流中，液膜的破裂形态与液膜厚度有关。理论研究中，以边界层理论为基础，基于独立假设建立了波形板通道内降液膜在横向气流驱动下沿屈折角横向偏移的二维边界层模型。通过无量纲分析和理想层流假设进行模型简化及边界层方程求解，建立了横向切应力驱动下波形板壁降膜破裂的力平衡模型并给出破膜速度的临界准则，与实验结果和已有理论模型进行对比，所建模型能够更准确地预测液膜发生破裂的临界条件。进一步的无量纲分析表明惯性离心力、气流剪切力、壁面粘性力和表面张力共同决定着液膜的运动、变形直至破裂，由它们之间的平衡关系可以确定液膜的稳定与否。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及目的

1.2自由下降液膜波动特性的研究现状

1.3气流剪切下液膜破裂的研究现状

1.4 本文的主要工作

第2章 实验台架与实验方法

2.1实验台架总体布置

2.2波形板通道的本体结构设计

2.3波形板壁液膜生成系统的设计

2.4测量系统与实验过程

2.5本章小结

第3章 液膜厚度的PLIF测量与功率谱分析

3.1液膜厚度的传统测量方法

3.2液膜厚度的激光诱导荧光法测量

3.3时间序列的功率谱分析

3.4本章小结

第4章 自由降膜波动特性的时空演化及波动不稳定性

4.1平均液膜厚度与雷诺数

4.2液膜波动的时间不稳定性

4.3液膜波动的空间不稳定性

4.4液膜波动及不稳定性发展的影响因素

4.5本章小结

第5章 横掠气流下波形板壁液膜破裂的实验研究与理论分析

5.1实验研究

5.2理论模型

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢