用于薄液膜厚度测量的面阵列电导传感器的设计与验证

液膜厚度是研究降液膜展开及发展演化所需的重要参数,目前市面上主流的膜厚探头主要是基于点探测原理、无法满足液膜展开的面厚度测量需求,本研究基于降液膜厚度的范围,自主设计了基于柔性印刷电路板的电导法同轴圆环面阵列传感器。成功制造的传感器在42 mm×57 mm面积上有3×4个同轴圆环探测单元,探头间距为15 mm,实现了0.3 mm~3 mm范围内的液膜厚度测量,测量电阻换算厚度的误差在10%以内,能满足薄液膜的面厚度测量需求。

基于横向剪切干涉系统的液膜厚度分布检测

测量液体薄膜的厚度在众多科学和工程领域中都具有重要的应用价值。本文基于横向剪切干涉技术,通过条纹追踪算法对相机拍摄得到的液膜干涉图像进行处理,研究了三角形与矩形竖直自由平面液膜的厚度分布及时间演变。实验结果表明,三角形液膜厚度范围为0.98~9.37μm,矩形液膜厚度范围为0.1~13μm。受重力影响,液膜厚度从顶部到底部逐渐增大,而在水平方向上液膜厚度分布均匀。随着时间的推移,重力排液导致液膜整体厚度逐步减小,顶部最薄弱处厚度率先到达最小值0.08μm后液膜整体破裂。进一步对矩形液膜进行分析,整个排液过程中液膜最大体积为2.66mm^(3),最大体积流量为0.28mm^(3)/s。此外,通过干涉条纹的分布变化可实现液膜表面流场可视化,为液膜微观表面流场研究提供了新的研究方法。

反压对收口型离心喷嘴液膜厚度的影响

离心喷嘴液膜厚度是影响喷嘴喷注雾化效果的主要参数之一。对不同背压环境下收口型离心喷嘴内液膜厚度的影响进行了研究。通过搭建反压喷注系统,利用电导法对收口型离心喷嘴液膜厚度进行测量,采用陶瓷针规对获得的电压值标定从而得到液膜厚度值,所得液膜厚度不确定度为0.017 mm。通过高压舱为喷嘴提供喷注环境,测量不同喷注压降和反压下的液膜厚度,从而得出结论:随着喷注压降的升高,离心喷嘴液膜厚度呈变薄趋势;反压的增加会导致气体密度的增加,使离心喷嘴内空气涡与液膜界面摩擦作用加剧,导致了液体速度下降,在相同质量流率的情况下,促使液膜厚度变大。将实验所得常压环境下的液膜厚度值与经验公式估算值比较,验证了测量结果的准确性;通过在现有液膜厚度理论公式的基础上引入反压项,提出一个全新的液膜厚度经验公式。

电路探针测量污泥液膜厚度方法验证及应用

黏附性是污泥的主要特征之一,对污泥处理处置过程有重要影响,而污泥表面液膜厚度是影响污泥黏附性的重要指标之一。本文提出了一种电路探针测量污泥液膜厚度的方法。首先,通过纯活性氧化铝验证了方法的可行性;然后进行了污泥液膜测量参数优化,包括测量电压、泥饼面积和厚度等;最后,将优化的方法应用于污泥电渗阴极液膜厚度测量,研究了污泥含水率、电渗电压和电渗时间对污泥阴极液膜厚度的影响。结果表明,污泥液膜最佳测量电压为3V,最佳泥饼面积为50mm×50mm,最佳泥饼厚度为5mm。在60%~80%(质量分数)含水率范围内,含水率对阴极液膜厚度影响较小,但对电渗电压和电渗时间影响显著,不同含水率下,阴极液膜均在30V的电渗电压和15s的电渗时间下达到最大。不同电渗工况下的液膜厚度均值在0.152~0.531mm范围内浮动。

壁面结构参数对液膜厚度分布及其波动特性的影响

受热应力分布不均的影响,降液管壁面会产生变形,其对湍流降膜的影响十分显著。利用超声波多普勒测速仪和高速摄像机研究了高雷诺数下(Rel≈1.72×104)波纹板结构参数(振幅和波长)对液膜厚度分布及其波动特性的影响。研究结果表明:波纹板上的平均液膜厚度随轴向距离的增加呈“波动减小”的趋势。波谷至波峰处的“加速”作用促进了液膜波动的增强,而波峰至波谷处的“减速”作用则使液膜波动减弱。波纹板波长的减小会导致共振效应的产生。液膜波动的加剧促进了液膜瞬时厚度概率密度函数趋于正态分布,并导致液膜因Plateau–Rayleigh不稳定性而产生拉丝破裂。修正后的平均液膜厚度预测模型可以很好地估算不同波纹壁面下的平均液膜厚度,相对误差在±15%以内。

不同液膜厚度条件下液滴/液膜碰撞特性

为获得不同液膜厚度条件下液滴/液膜碰撞特性,开展了大量的液滴/液膜碰撞试验,分析了液膜厚度对液滴/液膜碰撞形态的影响,构建了考虑液膜厚度影响的液滴/液膜碰撞形态辨识准则,确定了液滴/液膜碰撞产生的二次液滴数量与碰撞工况条件间的无量纲关系。研究结果表明:在碰撞初始阶段,液滴/液膜碰撞形态与液膜厚度无关,液滴顶部速度与入射速度一致,而空腔底部扩展速度约为液滴入射速度的0.4倍;随着碰撞时间的继续,液膜厚度对液滴/液膜碰撞形态有较大影响,液膜厚度越小,越不利于二次液滴和中心射流的产生,空腔深度扩展速度呈现出随无量纲液膜厚度减小而下降的趋势;当飞溅参数KCossali大于1 500+1 000×δ-0.8时,液滴/液膜的碰撞形态为溅射,给出了发生飞溅后产生的二次液滴数量的计算公式。

结构参数对离心喷嘴出口液膜厚度的影响

应用基于VOF的界面跟踪方法和realizable k-ε湍流模型分析了喷嘴出口结构参数对出口液膜厚度的影响规律,并将数值结果和试验数据进行对比,证实了模型的可靠性.结果表明:在喷嘴出口处液膜以环状形式分布,中间有一空心气锥,空心气锥半径越大,液膜越薄,并且随着流量的增大,液膜的破碎长度减小;喷嘴出口扩散角越大,喷嘴出口处液膜越薄,液膜破碎长度越短;喷嘴出口直径越大,液膜破碎长度越长,但液膜厚度不稳定;喷嘴出口直管段越长,液膜破碎长度越短,但对液膜在喷嘴出口后期发展的影响不是很大.

预测水平管气—液环状流周向液膜厚度分布的理论模型

针对水平环状流液膜厚度沿周向分布的不对称性, 用5组双平行电导探针测量了水平管内气液环状流沿周向的瞬态液膜厚度,得到了平均液膜厚度沿周向的分布规律.分析了液膜向上输送的机理.为更为准确地预测液膜厚度, 综合考虑了扰动波抽吸作用机理、气体二次流机理及液滴沉降和携带机理; 通过量级比较和应力平衡的方法, 提出了一个预测液膜厚度沿周向分布的理论模型.数值模拟结果表明预测值与实验测量结果符合较好.

基于电容法的管内低温流体液膜厚度测量方法

研制基于电容方法测量液氮/氮蒸汽分层两相流液膜厚度的装置.电容传感器采用双曲面板大包围对称结构,通过有限元模型对环向角、曲面轴向宽度等主要结构参数进行优化;以ADI公司的24位电容数字转换芯片AD7746为核心,建立电容采集电路,有效地减小了导线带来的杂散电容,构成了一个实时的高精度液膜厚度动态检测系统.通过实验测量液氮/氮蒸汽在倾斜透明石英玻璃管内流动过程的液膜厚度,与根据流量计算的理论值进行对比.结果显示,当采集频率达到16Hz时,液面高度采集误差小于0.5mm.

水平管外降膜流动液膜厚度数值模拟

建立了水平管外液体降膜流动过程的物理数学模型并对其进行了数值模拟研究,将模拟结果与文献中的理论值和实验值做了比较,变化趋势吻合较好.通过计算不同雷诺数下沿管壁周向的液膜厚度及液膜分布情况,分析了结构和流动参数对液膜厚度与分布的影响规律.结果表明:液膜厚度随雷诺数的增大而增大;当雷诺数一定时,管壁周向液膜厚度呈先减小后增大趋势并随管间距的增大而减小,并且随着雷诺数的增大,管壁周向液膜波动增大且易出现"干区".

溢流式布膜铝板液膜厚度和润湿特性实验研究

为了探索高雷诺数(Re>700)时平板降膜厚度规律和溢流式布膜方式下的润湿特性,设计并搭建了垂直铝板降膜实验台,采用电容测厚技术测量了Re为660~1390时冷态水膜瞬时厚度的变化情况。利用文献数据着重分析了流动长度和Re对平均液膜厚度的影响,并通过图像处理法计算了加湿过程的润湿面积。实验结果表明:在研究工况范围内,随着Re的增大,液膜厚度的最大值、最小值、平均值、标准偏差、波动振幅均存在上升趋势;不同流动长度处液膜厚度存在较大差异,拟合出流动长度L为0.43 m处的平均液膜厚度的经验关联式,计算值和实验值的相对误差控制在±6%范围内;层流向紊流转换的临界Re约为500,临界Re之后的平均液膜厚度随Re的增长速率要高于之前的;在Re为15~200时,润湿比随着Re增加呈现波动增大的趋势,预测平板最小润湿流量约为0.27。

固体 PCM 在热球体外表面上接触融解时液膜厚度变化规律的研究

基于润滑近似理论和Ｎｕｓｓｅｌｔ液膜流动理论建立了一个描述固体相变材料在热球体外表面上接触融解的数理模型。由于更准确地应用了固液两相界面处能量平衡关系式，所以求解所得的融解液液膜厚度分布更合理。据此模型，还指出了文献中模型存在的问题及其得到错误液膜厚度分布的原因。

用于液膜厚度测量的开式同轴腔传感器结构设计

汽轮机低压缸的湿蒸汽区液膜在高速汽流拖拽撕裂下形成较大水滴,会造成动叶片的严重水蚀,实时监测液膜厚度对于叶片防护及机组的安全运行具有重要意义。对此,搭建了谐振腔等效电路,并推导液膜厚度的测量关系式,设计了电磁性能良好的开式同轴谐振腔传感器,仿真分析了同轴腔的谐振频率随水膜厚度的变化关系,确定了测量关系式中的待定系数;选择蒸馏水为液膜材料,介电常数为81,利用电磁仿真软件HFSS计算水膜厚度h从0变化到1 mm,单位增加0.02 mm时进行拟合仿真,结果表明:拟合相似度0.995,均方根误差0.022。可见,该测量关系式可靠性较高,该测量技术可用于测量汽轮机静叶片、汽缸壁、导流环等结构处的液膜厚度。

微波同轴谐振腔测量液膜厚度的理论分析

汽轮机低压缸湿蒸汽区中,静叶片、动叶片及汽缸壁表面存在水膜的沉积、流动,在高速汽流拖拽撕裂下形成的较大水滴,会造成动叶片的严重水蚀,实时监测液膜厚度,对于叶片防护及机组的安全运行具有重要意义。采用开式微波同轴谐振腔作为液膜厚度测量传感器,根据谐振腔等效电路,建立了水膜厚度测量数学模型,推导了液膜厚度的测量关系式。设计了探针耦合同轴谐振腔传感器,仿真分析了谐振频率随水膜厚度的变化关系,确定了测量关系式中的待定系数,计算了不同温度条件下,液膜厚度随谐振频率的变化。

河流复氧系数中液膜厚度的推导

氧传质理论因存在不确定的参数而不能用来预测河流复氧系数。从水力学角度推导了液膜厚度δ的表达式 ,用实测资料拟合了其中的比例系数 。

水平螺旋槽管壁面液膜传热特性的研究——流体性质对液膜厚度的影响

考虑到薄膜表面张力和重力的影响 ,利用流体力学的基本方程建立了小流量液体在水平螺旋槽管外管壁形成壁面液膜的流动和强化传热的拟线性模型 ,得到了液膜厚度的解析表达式 ,进而分析了流体性质对壁面液膜厚度的影响。结果表明 :对于同一种喷淋液体水 ,随着温度的升高 ,液膜厚度受表面张力和槽道表面曲率的影响逐渐减弱 ,液膜厚度趋向于均匀一致 ,具有更好的传热传质性能 ;用水作喷淋液体和煤油、原油相比较 ,有其特殊的优点 ,所以工业上常用水作为喷淋式换热器的喷淋液。

CMP加工过程中抛光速度对液膜厚度的影响分析

化学机械抛光过程中抛光工艺参数对抛光液的流动特性有重要影响。采用LIF技术实验研究抛光参数对抛光液液膜厚度的影响。研究表明,抛光液膜厚度随着抛光速度的增加而增加,增加的趋势随抛光转速的提高而减缓。同时液膜厚度随着抛光压力的增加而减少。通过抛光参数的变化对抛光液流动特性的影响分析,为改善CMP加工工艺提供理论性的依据。

基于超声波的气液两相分层流液膜厚度及流量的非介入测量

传统液膜厚度测量方法会干扰液膜流动进而引发测量偏差,为了克服传统测量方法的不足,提出了采用超声多普勒进行非介入式测量液膜厚度的新方法,通过超声多普勒流速仪测量气液界面回波信号,通过反射回波识别气液界面测得液膜厚度,通过对液膜速度分布曲线进行积分,还可获得液相质量流量。在气液两相流实验环道上开展了测试,液相折算速度范围为0.027~0.066 m/s,气相折算速度范围4.85~15.81 m/s。实验表明:液膜厚度的分辨率0.01 mm,液膜厚度最大测量误差4.32%,液膜质量流量最大误差5.0%。

气液两相螺旋流超声脉冲传播模拟及液膜厚度测量

气液螺旋流具有强化气液分离、提高换热效率等独特优势,在工业上应用广泛。液膜厚度是气液螺旋流关键参数,是研究环状流演化的基础,但传统的测量方法难以实现环状液膜厚度的非介入测量。基于超声脉冲界面反射原理,提出通过界面回波实现液膜厚度非介入测量的新方法。建立有限元模型对波动方程进行求解,模拟了高斯脉冲激励下超声波在气液螺旋环状流中的传播特性,获得了声压场以及脉冲回波随时间变化特征,并在气液两相流环道上开展了实验测量验证。研究结果表明,气液界面回波幅值明显大于固液界面,液膜厚度取决于气液界面和固液界面脉冲传播时间差。液膜厚度超声回波测量结果与介入式探针测量值吻合良好,最大测量误差小于3.0%。超声回波测量液膜厚度方法具有非介入、响应性快的优点,不受管壁材质的限制,为研究螺旋流液膜演化规律提供了新的手段。

金属表面流动液膜厚度的电导法测量技术研究

在电导法测量金属表面上流功液膜厚度的试验基础上,结合电场数值分析方法研究了探针结构参数对测量的液膜厚度范围和测量精度的影响,并对电导探头附近区域的液膜内的电场进行了分析。结果表明,较小的绝缘环外径与金属探针直径之比和较小直径的金属探针有助于提高测量局部液膜厚度的能力,但同时也引起了电导探头测量液膜厚度范围的减小。