【行业应用】光谱共焦-管内环形流液膜厚度测量

环形流动的特征是在通道壁上存在连续的液膜，气体通过中心区域，携带着不同数量的液滴。这两个区域(液膜和汽心)被一个界面隔开。它的形状近似于通道。环形流动可以在广泛的工程应用中观察到，如传统电厂的蒸发器和冷凝器，以及大多数高压蒸汽-水系统。压水堆在失冷剂事故和沸水堆的正常运行中也会遇到类似的流动。因此，环形流的高保真度分析对于有效解决核反应堆的设计、运行和安全问题具有重要意义。

从工程的角度来看，通过引入假设，试图对动量和能量守恒方程进行实质性的简化，以模拟环形流动:例如:(1)两相在通道中分别流动;(2)各区域内的密度保持不变;(3)壁面剪应力恒定。而随着计算资源的不断增加，计算流体动力学(CFD)模拟已经成为分析和设计具有两相流的热液系统的高效工具。在对环空流动进行CFD模拟的研究中，可以列出开发和验证模型所必需的参数(如压降、膜厚、膜流量、膜粗糙度、扰动波的振幅和速度、夹带和沉积速率等)。

来自得克萨斯农工大学核工程学院的Joseph Seo等人设计、建造并运行了一套环空流动实验装置，以同心和偏心两种几何形状的外管液膜厚度和波动特性为测量对象，研究壁面上的液膜厚度及其波动特性对局部压力梯度的影响，用于验证CFD模型。在以往的研究中，电导探头、激光诱导荧光(LIF)、激光聚焦位移(LFD)仪、光谱共焦位移传感器(CCS)等技术被用来研究膜厚和波动特性。文章中作者采用激光聚焦位移(LFD)仪和光谱共焦位移传感器(CCS)系统进行测量。研究对流沸腾同心和偏心环几何情况下的液膜动力学和环状流的传热特性,并验证环状流沸腾模型。

光谱共焦位移传感器(CCS)是一种利用色差光学技术测量透明材料的多个表面距离的传感技术。光谱共焦位移传感器由光源、透镜、针孔和光谱仪组成。由多色发光二极管(LED)发出的光通过光纤到达透镜。这种透镜的设计是为了产生色差，使不同波长的光具有不同的焦距。因此，在一个表面上反射的光的波长可以用来指示透镜和表面之间的距离。由于非聚焦光也可能从表面反射，因此在光谱仪的前面安装了针孔，以滤去与聚焦光不同波长的非聚焦光。使用光谱共焦位移传感器的好处之一是它可以测量多层物体的厚度，如果这些物体是透明的。这种特性使用户能够执行非侵入式测量透明管内液体薄膜的流动厚度。该系统可以执行高采样频率(高达10kHz)，精度为1µm。此外，它没有电噪声。图1为光谱共焦位移传感器采集的数据示例。根据Novec-7000和硼硅酸盐玻璃的属性在光谱共焦位移传感器软件中进行折射率设置，从而实现了在2000 Hz采样频率下测量了基膜的厚度。数据中可以看到两个可区分的基膜厚度和最大薄膜厚度，如图1。用光谱共焦位移传感器测量波浪厚度变化是很困难的。这是因为膜流的形状，形成了一个大角度的表面，大量测量点超出了传感器的测量角度范围，只能够获得有限的数据。对于表面相对平坦，且变化缓慢的基膜而言，光谱共焦位移传感器能够准确测量出其厚度。因此，文章采用光谱共焦位移传感器来测量基膜的厚度。假设基膜的厚度和膜上的波纹小于0.5 mm，使用0-0.5 mm范围内的数据。计算总测量时间(10 s)的平均数据。将此数据与激光诱导荧光的测量结果进行交叉验证。

图1. 光谱共焦位移传感器采集数据的示例。

尽管由于数据点数量较少而存在不确定性，但当搅拌流占主导地位时，光谱共焦位移传感器似乎能够执行可靠的测量。然而，激光诱导荧光测量在这种情况下提供了一个比光谱共焦位移传感器更大的值，因为由于搅拌流情况的显著误差而产生了主动混合。除上述两种情况外，两种测量系统均表现出良好的一致性。两个测量系统的结果之间位于10%的误差范围内。

论文链接：

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