温度和盐度梯度所导致的瑞利-泰勒不稳定性对蒸发下降液膜稳定性的影响

Multi-Effect Distillation (MED) method, one of thermal approach desalination, can be effectively combined with nuclear and solar energy towards the Green, low-carbon and sustainable development of water supply. Falling film steam generator is a core device of the MED system. Our preliminary studies showed that the Rayleigh-Taylor instability is a key constraint to water production and energy conversion efficiency of falling-film evaporation, which accelerates falling-film flow instability and further results to the reduction of the efficiency of energy conversion and the decrease of the water productivity of the MED system. This project first proposes that the temperature gradient and the salinity gradient in the film flow have great effect on evaporating film flow instability from the perspective of the the Rayleigh-Taylor instability. The above two gradients lead to the density gradient in the film flow, which is supposed to trigger the Rayleigh-Taylor instability in liquid film. Through this research project, it is expected that the quantitative relationship among the stable length of film flow and wall superheat and inlet salinity will be attained under the different system pressure and liquid film flow rate for the falling film steam generators. The project would booster mastering the core technology for seawater desalination. In this project, the MPS method is used in the numerical simulation and the fluorescent PIV method is used in experiment to measure the velocity field in film flow.

热式多效蒸馏海水淡化法可有效地与核能和太阳能结合，回避高耗能，实现绿色低碳排放和可持续发展的大规模淡水供应。降膜蒸汽发生器是多效蒸馏法核心设备。课题组前期研究表明瑞利-泰勒不稳定性是降膜蒸发产水量、能源转换效率的掣肘因素,它加速了降膜不稳定性,降低了能源转换效率,减少了系统产水率。本项目首次提出从瑞利-泰勒不稳定性的视角研究蒸发降膜流动不稳定性，专注于温度和盐度不均匀导致的液膜密度梯度诱导的瑞利-泰勒不稳定性对蒸发下降液膜不稳定性的影响。通过本项目的研究，将得到在不同系统压力和液膜流量下，液膜稳定长度与壁面过热度和盐度梯度的定量关系，提出降膜蒸汽发生器的热工设计准则，助推我国掌握海水淡化核心技术。本项目制定了适用于该研究的具有捕捉蒸发状态下汽液界面的数值模拟和实验研究方法，数值模拟采用Lagrangian框架的MPS方法，实验研究采用荧光示踪粒子+PIV法。

本课题主要探究Rayleigh-Taylor不稳定性、水力驱动、Marangoni效应对加热液膜流动不稳定性的贡献和驱动机理。研究内容包括以下三个方面，其一构建了三维的基于加权余量法液膜流动不稳定性模型，探明了水力驱动、Marangoni效应和Rayleigh-Taylor不稳定性对加热液膜流动不稳定性的贡献和影响，比较了在不同初始扰动条件下液膜表面形成溪流的条件和演化规律。其二建立了加热下降液膜实验系统，针对下降液膜特点，自组PIV/PLIF实验设备，并开发对应的数据处理方法。在实验结果中，根据表面波动确定液膜不稳定性演化的发展状态，选取发展出孤立波的工况作为典型的数据。以PIV流场为基础，推导出液膜内压力分布，根据压力分布，以时间模式解释了液膜内逆流发生的机理；使用实验结果厚度与流量数据，基于液膜模型，重构速度场，对比实验结果速度场，为液膜模型预测流场的能力提供了评估验证方法。对下降液膜实验进行加热改造，使用ITO导电玻璃实现下降液膜透明加热，用以观察分析加热对下降液膜流场的影响。实验结果表明加热会降低液膜工质的粘性，加快表面波的演化，并造成液膜平均厚度降低，同时加热会降低液膜流场中最大速度与平均速度之比的平均值。最后，使用不锈钢制作液膜实验段，酒精水溶液为实验工质，在45度倾角下，观测下降液膜长波马兰戈尼不稳定性波动的演化现象。实验使用激光诱导荧光方法，测量了液膜轮廓，通过液膜表面形变能等数据的变化，分析了液膜不稳定性演化过程，发现了加热形成溪流结构后，溪流结构在流向上发生变形，最终出现干涸的现象。恒温与加热下降液膜实验研究提高了下降液膜内流场的观测能力，为模型验证对比提供了基准数据。加热不稳定性实验部分，发现了长波马兰戈尼不稳定性与水动力学不稳定性耦合作用，在形成溪流结构后溪流结构变形，最后出现干涸斑的演化过程，为加热液膜模型发展提供了基准数据。