環(huán)形流動(dòng)的特征是在通道壁上存在連續(xù)的液膜，氣體通過(guò)中心區(qū)域，攜帶著不同數(shù)量的液滴。這兩個(gè)區(qū)域(液膜和汽心)被一個(gè)界面隔開(kāi)。它的形狀近似于通道。環(huán)形流動(dòng)可以在廣泛的工程應(yīng)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(yùn)行中也會(huì)遇到類似的流動(dòng)。因此，環(huán)形流的高保真度分析對(duì)于有效解決核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和安全問(wèn)題具有重要意義。

從工程的角度來(lái)看，通過(guò)引入假設(shè)，試圖對(duì)動(dòng)量和能量守恒方程進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的簡(jiǎn)化，以模擬環(huán)形流動(dòng):例如:(1)兩相在通道中分別流動(dòng);(2)各區(qū)域內(nèi)的密度保持不變;(3)壁面剪應(yīng)力恒定。而隨著計(jì)算資源的不斷增加，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬已經(jīng)成為分析和設(shè)計(jì)具有兩相流的熱液系統(tǒng)的高效工具。在對(duì)環(huán)空流動(dòng)進(jìn)行CFD模擬的研究中，可以列出開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證模型所必需的參數(shù)(如壓降、膜厚、膜流量、膜粗糙度、擾動(dòng)波的振幅和速度、夾帶和沉積速率等)。

來(lái)自得克薩斯農(nóng)工大學(xué)核工程學(xué)院的Joseph Seo等人設(shè)計(jì)、建造并運(yùn)行了一套環(huán)空流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，以同心和偏心兩種幾何形狀的外管液膜厚度和波動(dòng)特性為測(cè)量對(duì)象，研究壁面上的液膜厚度及其波動(dòng)特性對(duì)局部壓力梯度的影響，用于驗(yàn)證CFD模型。在以往的研究中，電導(dǎo)探頭、激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、激光聚焦位移(LFD)儀、光譜共焦位移傳感器(CCS)等技術(shù)被用來(lái)研究膜厚和波動(dòng)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(jìn)行測(cè)量。研究對(duì)流沸騰同心和偏心環(huán)幾何情況下的液膜動(dòng)力學(xué)和環(huán)狀流的傳熱特性,并驗(yàn)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(xué)技術(shù)測(cè)量透明材料的多個(gè)表面距離的傳感技術(shù)。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(guò)光纖到達(dá)透鏡。這種透鏡的設(shè)計(jì)是為了產(chǎn)生色差，使不同波長(zhǎng)的光具有不同的焦距。因此，在一個(gè)表面上反射的光的波長(zhǎng)可以用來(lái)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(zhǎng)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(cè)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(cè)量透明管內(nèi)液體薄膜的流動(dòng)厚度。該系統(tǒng)可以執(zhí)行高采樣頻率(高達(dá)10kHz)，精度為1μm。此外，它沒(méi)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(jìn)行折射率設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)了在2000 Hz采樣頻率下測(cè)量了基膜的厚度。數(shù)據(jù)中可以看到兩個(gè)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(cè)量波浪厚度變化是很困難的。這是因?yàn)槟ち鞯男螤?，形成了一個(gè)大角度的表面，大量測(cè)量點(diǎn)超出了傳感器的測(cè)量角度范圍，只能夠獲得有限的數(shù)據(jù)。對(duì)于表面相對(duì)平坦，且變化緩慢的基膜而言，光譜共焦位移傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量出其厚度。因此，文章采用光譜共焦位移傳感器來(lái)測(cè)量基膜的厚度。假設(shè)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(jì)算總測(cè)量時(shí)間(10 s)的平均數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)與激光誘導(dǎo)熒光的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)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(diǎn)數(shù)量較少而存在不確定性，但當(dāng)攪拌流占主導(dǎo)地位時(shí)，光譜共焦位移傳感器似乎能夠執(zhí)行可靠的測(cè)量。然而，激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量在這種情況下提供了一個(gè)比光譜共焦位移傳感器更大的值，因?yàn)橛捎跀嚢枇髑闆r的顯著誤差而產(chǎn)生了主動(dòng)混合。除上述兩種情況外，兩種測(cè)量系統(tǒng)均表現(xiàn)出良好的一致性。兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)果之間位于10%的誤差范圍內(nèi)。

論文鏈接：

Experimental investigation of the annular flowcaused by convective boiling in a heated annular channel