水平管外降膜流动的时空不均匀性及其对蒸发传热的影响机理

Horizontal tube falling film is widely used in desalination, refrigeration and petro chemistry. Horizontal tube falling film has strong three-dimensional flow characteristics and instability in time domain, which results in the non-uniformity of heat transfer coefficient distribution outside tubes. Currently, the physical description and mechanism of horizontal tube falling film flow as well as heat transfer still have not been exactly explained due to the neglect of the axial effect. This project aims to obtain the temporal and spatial non-uniformity of horizontal tube falling film flow and its influence mechanism on evaporation heat transfer. The film thickness distributions and fluctuations in three-dimensional space with time are investigated by synthetic optical measurement. Simultaneously, the three-dimensional distributions of heat transfer coefficients around the horizontal tube are obtained by visualization experiment. Based on the results of above experiments, the influence mechanism is explored and a heat transfer mathematical model coupling flow characteristics is developed for horizontal tube falling film. This project focuses on the characterization of horizontal tube falling film flow along the tube circumferential and axial direction. An innovative measurement is utilized to detect the flow behavior. The inherent relationships between flow and heat transfer in horizontal tube falling film are creatively proposed. This project can develop and improve the horizontal tube falling film theory.

水平管降膜技术被广泛应用于海水淡化、低温制冷和石油化工等领域。水平管降膜具有强烈的三维流动特征，并存在时域上的不稳定性，从而也导致管外传热在时空上的不均匀性。目前对水平管外降膜流动和蒸发传热的研究大都忽略了轴向维度和时间维度的影响，难以对流动和传热过程给出准确的物理描述和机理解释。本项目以获得水平管外降膜流动的时空不均匀性与其对蒸发传热的影响机理为目标，利用综合光学测量手段获得液膜在三维空间与时间上的厚度分布与波动特性，以及通过蒸发传热实验获得水平管外液膜的三维传热系数分布。基于以上实验结果，阐明水平管外降膜流动的时空不均匀性对蒸发传热的影响机理，发展流动传热耦合数理模型。本项目紧紧围绕水平管降膜在周向和轴向上流动特性的表征这一关键科学问题，在流动时空特性的全面获取、流动与传热内在关系的构建上形成研究特色和创新，以此发展和完善水平管降膜流动与传热理论。

水平管降膜蒸发因其小温差、高换热效率而被广泛应用在海水淡化、低温制冷、医药工业、食品工业以及石油化工等领域。. 本项目的研究内容主要分为三个部分：1）水平管外降膜流动时空不均匀性的物理描述及其特点分析。即通过综合光学测量手段和数值模拟首先获得管间流动基本形态，再根据各流态分别获得水平管外液膜在三维空间与时间上的厚度分布与波动特性，以及喷淋雷诺数、管间距、管径等基本因素对水平管降膜流动特性的影响规律。得到各流态下的流动时空特点。2）水平管外降膜蒸发传热系数的三维表征与主要影响因素分析。针对各流态进行降膜蒸发传热实验，结合数值模拟，得到传热系数的三维分布，以及各基本因素对传热的影响规律。3）水平管外降膜流动与传热的机理揭示与模型构建。最后，综合前两者的研究结果，揭示水平管降膜流动的时空不均匀性对蒸发传热的影响机理，发展水平管降膜流动传热耦合数理模型。. 本项目研究获得了水平管降膜在滴状流、柱状流、帘状流三个基本流态以及不完全帘状流、柱帘状流、滴柱状流等几个次级流态的流动特征，厘清了流态转变边界和转变临界雷诺数变化特点，捕捉并解释了流态在两个因素上的滞后等物理现象；首次针对不同的流态，全面获得了水平管外液膜厚度的三维分布和波动规律，归纳了管间距、管径、喷淋雷诺数等因素对管外液膜流动的影响；基于各流态提出了三维液膜厚度预测模型。研究获得了各流态水平管外降膜蒸发传热系数的三维分布特征以及各因素对传热系数的影响。得到了水平管降膜的时空不均匀性对传热的影响机制。. 本项目紧紧围绕水平管降膜在周向和轴向上流动特性的表征这一关键科学问题，在流动时空特性的全面获取、流动与传热内在关系的构建上形成研究特色和创新，发展和完善了水平管降膜流动与传热理论，对提高降膜类换热器传热传质效率和节能减排有着重大的科学意义。