第４６卷第６期 ２０１２年６月 原子能科学技术 Ｖｏ１．４６。Ｎｏ．６ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｊｕｎ．２０１２ 竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究 韦胜杰 ，宋 建 ，胡 珀 ，杨燕华 （１．上海交通大学核科学与工程学院，上海２．海军工程大学核能科学与工程系，湖北武汉２００２４０； ４３００３３） 摘要：对冷态降液膜在大平板上的流动特性进行了实验研究，运用电容式精密测微仪测定垂直降液膜的 厚度，考察了在无蒸发情况下雷诺数对降液膜厚度和流量对液膜覆盖率的影响规律，得到平均膜厚经验 关系式，并认为液膜在达到临界膜厚后，随流量增加只会使覆盖率增大而厚度几乎不变，发现同流量下 接触角较小的平板上液膜覆盖率较大。 关键词：降液膜；膜厚；覆盖率 中图分类号：ＴＬ３３４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—６９３１（２０ｉ２）０６—０６７４ ０５ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｆｉｌｍ Ｆａｌｌｉｎｇ Ｄｏｗｎ Ｌａｒｇｅ Ｆｌａｔ Ｐｌａｔｅ ＷＥＩ Ｓｈｅｎｇ—ｊｉｅ ，ＳＯＮＧ Ｊｉａｎ ，ＨＵ Ｐｏ ，ＹＡＮＧ Ｙａｎ—ｈｕａ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ ４３００３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｍ ｆｒｅｅｌｙ ｆａｌｌｉｎｇ ｄｏｗｎ ａ ｌａｒｇｅ ｖｅｒｔｉ— ｃａｌ ｆｌａｔ ｐｌａｔｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｍ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｐｒｏｂｅ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ— ｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｏｆ ｆａｌｌｉｎｇ ｆｉｌｍ ｗｅｒｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ， ｔｈｅ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｗｉｌｌ ｅｎｌａｒｇｅ ｂｕｔ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗｉｌｌ ｒｅｍａｉｎ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｌａｒｇｅｒ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｌａｔｅ ｗｉｔｈ ａ ｓｍａｌｌｅｒ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｆｌｏｗ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆａｌｌｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｍ；ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ；ｃｏｖｅｒａｇｅ ｒａｔｅ 作为包容放射性裂变产物的最后一道屏 ＡＰ１０００中保留了该设计，即在发生冷却剂丧 障，安全壳及其相关系统对保证电厂安全具有 重要意义。在先进压水堆ＡＰ６００的设计中［ ］ 初次引入了安全壳非能动冷却系统（ＰＣＳ），在 失事故和主蒸汽管道破裂事故等向安全壳释放 大量能量的事故后，安全壳内压力升高，在达到 安全壳高压整定值后自动触发ＰＣＳ投入，冷却 收稿日期：２０１１一Ｏｌ一１６；修回日期：２０１ｌ一０２—１６ 基金项目：国家科技重大专项资助项目（２０１０ＺＸ０６００２—００５） 作者简介：韦胜杰（１９８３一），男，河南新乡人，硕士研究生，核能科学与工程专业 第６期 韦胜杰等：竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究 ６７５ 水从安全壳顶部的储水箱流出，经流量分配装 置分配后在钢制安全壳外表面形成液膜。沿竖 直表面的降液膜流动具有高换热系数、高热流 密度、动力消耗小等优点，能将安全壳内的热量 通过一系列能量传递最终排向环境，降低了安 全壳内部压力，保证了安全壳的完整性。 降液膜流动特性备受关注，国内外进行了 较多研究，大多数为基于垂直管外液膜行为的 实验［２］。针对安全壳ＰＣＳ冷却能力的研究中， Ａｍｂｒｏｓｉｎｉ等 在平板上对降液膜的膜厚和波 动情况进行了实验。 为更好地研究降液膜在大尺寸竖直板上的 行为，本文采用２ ＩＩ１（宽）×５ ｍ（高）的实验台 架，运用精密电容测微仪测量垂直表面上降液 膜的厚度，研究冷态情况下大平板降液膜的液 膜平均厚度、覆盖率等流动特性，旨为研究降液 膜传热传质，计算非能动安全壳外部冷却能力 提供可靠的数据。 １ 实验装置 １．１ 实验流程 水膜实验装置如图１所示。 图１水膜实验装置 Ｆｉｇ．１ Ｗａｔｅｒ ｆｉｌｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ 实验环境为常温、常压，实验平板表面喷 ＦＺ０３—２酚醛调合漆涂层。实验过程中水由泵 送人水膜分配箱中，以漫溢的方式沿平板平铺 流下。输水管道装配流量计以记录实时流量， 在平板外玻璃板上配有标尺，使用十字激光定 位仪测量降液膜湿周。液膜测厚传感器与壁面 垂直安装，并与精密电容测微仪连接，构成液膜 厚度测试系统。 １．２测量方法 液膜厚度测量采用电容法Ｌ４］，该方法具有 操作简单、精度高及对液体无扰动的特点，适用 于平板表面降液膜厚度的测量。其原理如图２ 所示。 图２精密电容测微仪原理图 Ｆｉｇ．２ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ 采用对静态液体测量的方法对测微仪进行 标定。图３为测微仪静态标定结果及最佳符合 曲线，可得到输出电压与被测物体和传感器之 间距离的线性关系忌一～１．５，且在测量范围内 （膜厚 小于１ ２００ ｍ）实验误差小于５％。 图３标定数据及最佳线性关系 Ｆｉｇ．３ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｂｅｓｔ ｆｉｔ ｌｉｎｅ ２ 理论分析 流体降液膜流动的Ｎ—ｓ方程可表述为： ｊ．． ｆＤ 一一 户＋ｐｇ＋ ＇， 其中：ｐ为流体密度；’，为速度矢量；Ｖｐ为压强 梯度；ｇ为重力矢量； 为流体动力粘度。 Ｎｕｓｓｌｅｔ于１９１６年提出液膜层流模型［５］， 假设液膜表面平滑无波动，无向上的混流，流体 为层流流动，气液界面剪切力为零，物性参数恒 ６７６ 原子能科学技术 第４６卷 定，液膜厚度处处相等。 Ｒｅ一４Ｐ／ 流动方向为ｚ，液膜厚度方向为Ｙ，液膜水 平方向ｚ。则由层流假设可知： ２其中：ｒ为体积流量；ｂ为降液膜在平板上的 湿周。 ：０ 可得到在层流假设情况下液膜平均膜厚 为： 一且充分发展后液膜沿发展方向 做匀速 运动，则： 一（３／４） 。Ｒｅ 。（ 。／ｇ） 。 ０ 对经验关系式进行无量纲化处理： 一 无剪切力边界和无滑移边界条件为： ｄｘ ｌ 一。 √ 一号ｒ ＋÷ Ｉ 一０ 其中： 为无量纲平均膜厚；特征切应力ｒ 可 由壁面切应力ｒ 和汽液界面切应力ｒ。导出。对 由以上简化条件可知液膜内速度模型为： 于该实验中降液膜的ｚ－ 一０，ｒ 可由流体受力平 衡计算得到，对于垂直降液膜，ｒ ＝ｐｇ８，可得到 层流理论假设时的无量纲膜厚关系式。 理论模型与Ｔａｋａｈａｍａ等嘲的经验关系式 和无量纲化膜厚关系式列于表１。 （ ）一导（、厶号一 ） 其中： （ ）为与板面距离为 处的液膜流动速 度； 为该处液膜平均厚度；ｖ为流体运动粘度。 降液膜雷诺数计算公式为： 表１液膜平均厚度实验关系式 Ｔａｂｌｅ ｌ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｖｅｒａｇｅ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ３结果与讨论 ３．１液膜厚度 图４示出了Ｒｅ与液膜厚度 的关系。图 ５为无量纲化后平均膜厚的对比。 图５ Ｒｅ与 的关系 Ｆｉｇ．５ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ＶＳ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ 在波动，孤立波内存在的回流区能有效减少局 图４ Ｒｅ与液膜厚度 的关系 Ｆｉｇ．４ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ｖｓ．ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ 部液膜厚度，而使时均膜厚减小 ］，故实验值小 于理论值。 表２列出了相关降液膜实验的实验条件。 理论模型的导出是基于理想层流的假设， 认为充分发展后各处液膜厚度相等，而实际的 Ｔａｋａｈａｍａ是基于对垂直管外降液膜的实验， 其实验结果与本文较接近，对液膜无量纲化后 降液膜流动过程中即使在很小Ｒｅ情况下仍存 比较更为明显，说明垂直降液膜在非凹壁面流 第６期 韦胜杰等：竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究 ６７７ 动时，流经壁面的几何形状对液膜平均厚度影 响不大。Ａｍｂｒｏｓｉｎｉ的实验由于实验条件与本 文相似而其结果与本文最为接近。 表２实验条件对比 Ｔａｂｌｅ ２ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ 根据实验结果，将Ｒｅ对降液膜的平均厚 度的影响进行拟合，图６为拟合结果及误差带， 图７为使用Ａｍｂｒｏｓｉｎｉ实验结果对拟合公式的 验证比较，符合情况较好。 莹 ２００ ３００ ４００ 实 ｐｍ 图６液膜厚度经验关系式 Ｆｉｇ．６ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｆｏｒ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒｓ 图７液膜厚度经验关系式 Ｆｉｇ．７ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｄａｔａ ｏｆ Ａｍｂｒｏｓｉｎｉ ３．２液膜覆盖率 定义某高度平板湿周与周长的比值为该处 覆盖率，其与流量有直接关系，但实验过程中发 现平板表面状况对覆盖率也有很大的影响，实 验中仅考察了在某固定的高度处液膜覆盖率的 变化情况。图８示出不同板面状况下的液膜覆 盖率。 图８不同板面状况下的液膜覆盖率 Ｆｉｇ．８ Ｃｏｖｅｒａｇｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｍ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｌａｔｅ 这一现象可结合液膜厚度来分析，根据 Ｄｏｎｉｅｃ液膜能量最小原理Ｌ８］，液膜存在临界 厚度： 一（ （ ）“。（１－－ＣＯＳ ０ 式中： 为临界最大膜厚 为汽液表面自由 能差； 为接触角。 对于宽表面，当液膜厚度达到上述临界厚 度后，即使流量继续增大，液膜的厚度仍为 …，只是液膜宽度增加，即覆盖率增大。由于 液膜在润湿板面上流动时接触角０远小于干 板，在较小流量（３０ Ｌ・ｈ ・ｍ ＜Ｑ＜７ｏ Ｌ・ ｈ ・ＩＴＩ ）下液膜厚度达到临界值，如图９中 Ａ所示，此时增大流量会使覆盖率明显增加，而 ： ｌ８０ ８０ Ｑ，（Ｌ・ｈ－１．ｍ一 ） 图９液膜厚度和覆盖率与流量的关系 Ｆｉｇ．９ Ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｒａｔｅ ａｔ ｖａｒｉｏｕｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅｓ ６７８ 此时液膜厚度变化不大。覆盖率增大到一定程 度（约为９８ ）后，流量增加导致Ｒｅ增大，流动 波动增大，液膜平均厚度变大，如图９中Ｂ所示。 ４ 结论 １）考察雷诺数对液膜平均厚度的影响并 与理论模型及相关膜厚实验结果相比较，拟合 出膜厚经验关系式并验证该关系式的可靠性； ２）研究了在某一高度处液膜覆盖率的影 响因素，并引入临界膜厚概念解释了同流量下 润湿板覆盖率较大的现象。 参考文献： ［１］ＯＩ ＩＶＩＥＲＩ Ｍ，ＯＲＩ ＡＮＤＩ Ｓ，ＯＲＲ Ｒ．ＡＰ６００非 能动安全壳冷却系统结构设计Ｉ－ｊ］．国外核动力， １９９６，１７（２）：４９ ５３． ［２］ 叶学民，阎维平．液体薄膜流稳定性和破断特性 的研究进展［Ｊ］．华北电力大学学报，２００６，３３ （６）：６３ ６７． ＹＥ Ｘｕｅｍｉｎ，ＹＡＮ Ｗｅｉｐｉｎｇ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｆｌｏｗ ｓｔａ— ｂｉｉｉｔｙ ａｎｄ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｏｆ ｔｈｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｍｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ— ｔｙ，２００６，３３（６）：６３－６７（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ｒ３］ ＡＭＢＲＯＳＩＮＩ Ｗ，ＦＯＲＧＩｏＮＥ Ｎ，０Ｒ１０Ｉ ０ Ｆ． 原子能科学技术 第４６卷 Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｍ ｆａｌｌｉｎｇ ｄｏｗｎ ａ ｆｌａｔ ｐｌａｔｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ，２００２，２８（９）：１ ５２１—１ ５４０． ［４］ 张锋，耿皎，马少玲，等．利用电容法测量降膜厚 度［Ｊ］．计量技术，２００５（４）：３４ ３５． ［５］ 王仁芳．竖壁降液膜流动特性的研究［Ｄ］．大连： 大连理工大学，２００７． ［６］ ＴＡＫＡＨＡＭＡ Ｈ，ＫＡＴＯ Ｓ．Ｉ ｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ｆａｌｌｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ ｇａｓ ｆｌｏｗ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ，ｌ９８０，６（３）：２０３— ２１５． ［７］ 叶学民，阎维平，蒋章焰，等．自由降液膜表面波 流动和传热特性的研究［Ｊ］．华北电力大学学报， １９９９，２６（１）：７ ｌ２． ＹＥ Ｘｕｅｍｉｎ，ＹＡＮ Ｗｅｉｐｉｎｇ，Ｊ１ＡＮＧ Ｚｈａｎｇｙａｎ， ｅｔ ａ１．Ｆｌｏｗ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｆｒｅｅ ｆａｌｌｉｎｇ ｗａｖｙ ｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９９，２６（１）：７ １２（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ［８］ Ｄ０ＮＩＥＣ Ａ．Ｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗ ｏｆ ａ ｌｉｑｕｉｄ ｄｏｗｎ ａ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｏｌｉｄ ｓｕｒｆａｃｅ：Ｍａｘｉｍｕｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ １ｉｑ— ｕｉｄ ｒｉｖｕｌｅｔ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｏＣｈｅｍｉｃａｌ Ｈｙｄｒｏｄｕｎａｍ— ｉｃｓ，１９８４，５（２）：１４３—１５２．