2實驗裝置及方法

2.1實驗裝置

本實驗的實驗裝置，如圖3(a)所示。該裝置主要由液體回路、布液器和實驗段三大部分組成。液體回路用于提供不同的流動條件，以確保布液器能夠穩(wěn)定形成液膜。在這個回路中，液體從恒溫水箱（Julabo-Vivo RT2）中流出，恒溫水箱提供一個穩(wěn)定的入口溫度，由齒輪泵（Cole-parmer）控制液體流量大小，液體再流入流量計（Micro motion 2700，精度為±0.05%），流量計監(jiān)測管道內(nèi)液體的質(zhì)量流量，在布液器的入口端放置一個T型熱電偶（精度為±0.5℃）來測量入口溫度的變化，最后使用數(shù)據(jù)采集器（Keithely 2700）采集流量計的質(zhì)量流量、熱電偶的溫度和加熱片的功率。本實驗對入口溫度要求較高，所以采用一些保溫措施，在不銹鋼管和布液器腔室周圍包裹一層保溫棉，減少熱量損失。

圖3實驗裝置及測量示意圖

在實驗中，不確定度主要來自功率誤差和熱電偶誤差。電壓和電流的不確定度分別為0.1V和0.1A。

采用式(26)計算功率輸入的熱量不確定度。

加熱片的輸入功率的不確定度計算方法見式(27)、式(28)。

基于相同的計算方法，40W、30W和20W加熱片的熱輸入不確定度分別為±3.2W（±8%）、±3W（±10%）和±2.02W（±10.1%）。

與熱電偶相關(guān)的溫度不確定度為0.5℃，Keithely 2700的系統(tǒng)溫度的精度為0.01℃，熱電偶與測量位置之間的溫度誤差為2℃，溫度測量誤差（δT）計算方法見式(29)。

實驗中布液器采用3個腔室，3個腔室被有機(jī)玻璃分隔開。第一個腔室被設(shè)置為液體從有機(jī)玻璃擋板上方溢流入第二個腔室。其中，第二腔室和第三腔室之間的有機(jī)玻璃未粘接在基材上形成細(xì)縫，液體將從細(xì)縫流入下一個腔室。在這兩個腔室中填充海綿，海綿的作用是液體能夠更加均勻地從細(xì)縫流出，最終以恒定的流量沿銅板基底表面均勻流動。實驗設(shè)置細(xì)縫為1mm，最后的擋板厚度為10mm；實驗段采用100mm×50mm銅板為基底，在銅板的底部粘貼相同面積的加熱片，提供均勻的熱源。

2.2液膜厚度測量方法

Hou等基于氣液兩相介質(zhì)電導(dǎo)率特性不同的原理，將位移千分尺探頭用于氣液界面的檢測。但本實驗采用的液體工質(zhì)為去離子水、乙二醇和丙二醇，考慮它們在動力黏度上的差異對液膜的流動行為和穩(wěn)定性具有重要影響，并且探針接觸到液體時沒有電壓輸出信號，只有當(dāng)探針接觸到銅板時才會形成回路，顯示電壓輸出信號，采用Pixelink攝像機(jī)觀測探針與液體接觸，確定了液膜的氣液界面[圖3(c)的紅色線上方]，探針接觸到液膜時將會出現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象，探針沿著徑向在液膜中不斷移動，直到探頭剛好接觸到銅板形成回路。因此，液膜的厚度就是探頭前進(jìn)的相應(yīng)距離。將液膜厚度測量點(diǎn)分為A、B、C、D組，如圖3(b)所示，兩組之間的間距為20mm，將同一位置10次測量結(jié)果的算術(shù)平均值作為膜厚度。

h的計算方法見式(30)。

式中，n為測量次數(shù)，n=10；hi是測量10次液膜厚度的平均值。

噴淋密度Γ計算方法見式(31)。

式中，m為流入布液器的質(zhì)量流量；W為銅板的寬度。

液膜雷諾數(shù)Re計算方法見式(32)。

2.3不同物性

能夠在壁面上完全鋪展的液膜不僅僅與壁面的結(jié)構(gòu)和潤濕性有關(guān)，還與液體本身的物性有著密切關(guān)系。較高的黏度會導(dǎo)致液膜在流動過程中變得更加穩(wěn)定且不容易破裂，使得液膜的分布相對均勻；表面張力會改變壁面上液膜的潤濕性，從而影響液膜在壁面上的鋪展能力。因此，深入探討不同物性對液膜分布的影響，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。在實驗中工作液體包括去離子水、乙二醇、丙二醇。工作液體的性質(zhì)，如表1所示。同時溫度的變化將直接影響液體的黏度和表面張力，隨著溫度的升高液體分子的動能也隨之增強(qiáng)，分子間的相互作用減弱，黏度和表面張力都將減小，進(jìn)而影響液膜的形成和鋪展，不同溫度下去離子水的性質(zhì)，如表2所示。

表1在20℃下不同工作液體的性質(zhì)

表2不同溫度下去離子水的性質(zhì)

3結(jié)果與討論

3.1數(shù)學(xué)模型驗證

通過合理的假設(shè)，建立了一個三維數(shù)學(xué)模型來預(yù)測傾斜壁面上的液膜流動特性。圖4是在入口溫度為20℃和壁面傾斜角度為15°時，不同Re的液膜厚度的對比曲線。本文將實驗測得的液膜厚度與文獻(xiàn)中報道的用于預(yù)測水平圓管和傾斜平板上液膜厚度的經(jīng)驗公式進(jìn)行了比較，同時還將Nusselt提出的經(jīng)典液膜厚度公式和本文建立的數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。隨著雷諾數(shù)的增大，無論是實驗數(shù)據(jù)、理論公式還是模型計算，所得的液膜厚度均逐漸增加，且實驗結(jié)果的平均值與Nusselt理論具有良好的一致性。圖4中的放大圖進(jìn)一步顯示，模型計算結(jié)果與Nusselt理論所得結(jié)果非常接近，這主要是因為模型計算中采用了Nusselt理論作為迭代初值。然而，模型計算值始終略小于Nusselt理論值，這是由于在式(17)中考慮了蒸發(fā)質(zhì)量通量Js。在絕熱條件下，模型計算包含了一項蒸發(fā)質(zhì)量通量的影響，從而導(dǎo)致計算的液膜厚度略低于Nusselt理論預(yù)測值。這一差異表明，在實際條件下，蒸發(fā)效應(yīng)對液膜厚度的影響不可忽略，模型的引入使計算更加貼近實際。

圖4液膜厚度對比

圖5所示的數(shù)學(xué)模型中，壁面傾斜角度分別為15°、30°和45°，噴淋密度為0.016kg/(m·s)、0.03kg/(m·s)和0.04kg/(m·s)，入口溫度為70℃。通過施加不同的熱流密度加熱壁面，模型計算得出了量綱為1液膜厚度在傾斜壁面上的分布情況。結(jié)果顯示，當(dāng)熱流密度qw=0.8W/cm2時，不同傾斜角度下的壁面上量綱為1液膜厚度均逐漸減小，最終降至零，出現(xiàn)了燒干現(xiàn)象。同時，模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果相符，干斑位置均出現(xiàn)在壁面底部，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅是由于蒸發(fā)的作用，還與熱毛細(xì)效應(yīng)密切相關(guān)。在加熱過程中，熱毛細(xì)效應(yīng)促進(jìn)了液膜表面張力的變化，使得液膜的穩(wěn)定性減弱，導(dǎo)致液膜局部破裂。隨著蒸發(fā)效應(yīng)的增強(qiáng)，液膜厚度逐漸減小，特別是在液膜的薄弱區(qū)域，蒸發(fā)速率提高，導(dǎo)致液膜厚度進(jìn)一步減小，最終在底部區(qū)域發(fā)生破裂。因此，干斑通常出現(xiàn)在壁面底部，這進(jìn)一步驗證了實驗結(jié)果與數(shù)學(xué)模型計算之間的良好一致性，并表明所建立的數(shù)學(xué)模型能夠有效預(yù)測液膜在傾斜加熱壁面上的流動行為和燒干現(xiàn)象。

圖5熱流密度不同時，量綱為1液膜厚度在傾斜壁面上的分布