Πειραματική διερεύνηση των ιδιοτήτων των λεπτών φίλμς υγρού κατά την ελεύθερη ροή σε κανάλι πυρηνικού αντιδραστήρα ισχύος

Abstract

The focus of the present Thesis lies in the design and construction of an experimental rig to conduct a series of experiments on the investigation of liquid thin film properties during the free flow over the external surface of a vertical cylinder. Liquid films are assigned to a separate and special class of flow in which the falling liquid layer has at least one free boundary thin thickness (∼ 0.1−1.0 mm) and flows under the effect of gravity and viscosity forces. Liquid film characteristics have become an increasingly important scientific and engineering topic due to the extended usage of liquid film flow in a large number of heat and mass transfer applications. Experimental and theoretical studies have proved the strong effect of waves developing on the free surface of the film in heat and mass transfer processing. In the present Thesis the fluctuation of the free film surface is considered to be a random stochastic process and therefore statistic methods of analysis are utilized. Wavy flow characteristics such as film thickness wave celerity wave length etc. are estimated as mean values of finite time samples. In the present experimental method a needle contact technique is employed and an assembly of two needle probes have been designed and implemented. Each probe movement is achieved by using two step motors directly connected to a PC Computer programming has been developed for real time measurements and data samples analysis. The experimental application focuses on the geometry and kinetic characteristics of fully developed large waves over isothermal and non-isothermal liquid film flow. It has been experimentally established that waves travel along the flow at a constant celerity without changing their shape in steady flow conditions. By increasing the volumetric flow rate of the liquid film the celerity and the height of surface waves are increased without significantly affecting the frequency of waves. Moreover, the probability of the instantaneous film thickness corresponding to mean film thickness is roughly constant ~0.4 regardless of the volumetric flow rate of the film. In the experimental study of non-isothermal flow it is indicated that the wave height and celerity are reduced comparing to the case of isothermal flow while the ratio between the wave celerity and the average film velocity remains roughly constant regardless of the volumetric film flow rate. Finally experimental results of wavy liquid film flow characteristics are summarized and compared with other theoretical and experimental studies.

Αντικειμενικός στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή πειραματικής διάταξης για τη μελέτη των χαρακτηριστικών λεπτών ϕιλμ νερού κατά την ελεύθερη ϱοή τους στην εξωτερική επιφάνεια κατακόρυφου κυλίνδρου καθώς και η εκτέλεση σειράς πειραμάτων ισοθερμικής και μη ισοθερμικής ροής. Ο όρος ϕιλμ υγρού προσδιορίζει μία ειδική ξεχωριστή κατηγορία ϱοής, στην οποία το υγρό έχει τουλάχιστον μία επιφάνεια ελεύθερη, χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα μικρό πάχος (∼ 0.1−1.0 mm) και ϱέει κάτω από την επίδραση των ϐαρυτικών δυνάμεων και των δυνάμεων συνεκτικότητας. Το επιστημονικό ενδιαφέρον για τη συμπεριφορά των ϕιλμ υγρών πηγάζει από το ευρύ πεδίο εφαρμογών τους σε διατάξεις όπου απαιτείται ενίσχυση των μηχανισμών μετάδοσης ϑερμότητας και μάζας. Σημαντικός αριθμός ϑεωρητικών αλλά και πειραματικών ερευνών καταδεικνύει ότι οι μηχανισμοί αυτοί επηρεάζονται από τα χαρακτηριστικά των ϕιλμ και ιδιαίτερα από τα κύματα στην ελεύθερη επιφάνειά τους. Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής η συμπεριφορά της μεταβολής της ελεύθερης επιφάνειας του ϕιλμ αντιμετωπίζεται ως τυχαία διαδικασία και προσεγγίζεται μέσω στατιστικών μεθόδων. Οι εκτιμήσεις των μεγεθών της ϱοής, όπως το πάχος, η ταχύτητα, το μήκος κύματος κ.α. προκύπτουν ως μέσες τιμές χρονοδειγμάτων που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένο χρόνο παρατήρησης. Για τις πειραματικές μετρήσεις εφαρμόσθηκε η σημειακή τεχνική του ιχνηλάτη αγωγιμότητας και κατασκευάσθηκε διάταξη ζεύγους ιχνηλατών, οι οποίοι κινούνται με τη ϐοήθεια ϐηματικών κινητήρων απευθείας συνδεδεμένοι σε Η/Υ. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν κατάλληλα υπολογιστικά προγράμματα τόσο για τη συλλογή πειραματικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, όσο και για την μετέπειτα επεξεργασία τους. Η πειραματική μελέτη επικεντρώνεται στη συμπεριφορά των κυμάτων που αναπτύσσονται στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού, στην πλήρη τους ανάπτυξη στην περίπτωση τόσο ισοθερμικής όσο και μη ισοθερμικής ϱοής. Τέλος τα πειραματικά αποτελέσματα για τα γεωμετρικά και κινηματικά χαρακτηριστικά του ϕιλμ συνοψίζονται και συγκρίνονται με άλλες πειραματικές αλλά και ϑεωρητικές προσεγγίσεις.