流体机械

水平管降膜多排管外液膜润湿性研究

李美军 , 牛芳

流体机械 | 试验研究 2025,53(11): 25-33

收起

流体机械 |试验研究 2025 , 53 (11) : 25 -33

水平管降膜多排管外液膜润湿性研究

全屏

[Author(id=1319294749819908343, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, orderNo=0, firstName=null, middleName=null, lastName=null, nameCn=null, orcid=null, stid=null, country=null, authorPic=null, dead=0, email=limeijunFiona@163.com, emailSecond=null, emailThird=null, correspondingAuthor=0, authorType=1, ext={EN=AuthorExt(id=1319294749907988729, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, authorId=1319294749819908343, language=EN, stringName=Meijun LI, firstName=Meijun, middleName=null, lastName=LI, prefix=null, suffix=null, authorComment=null, nameInitials=null, affiliation=null, department=null, xref=null, address=Beijing Tiandi Rongchuang Technology Co.，Ltd.，China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China, bio=null, bioImg=null, bioContent=null, aboutCorrespAuthor=null), CN=AuthorExt(id=1319294749966708986, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, authorId=1319294749819908343, language=CN, stringName=李美军, firstName=null, middleName=null, lastName=null, prefix=null, suffix=null, authorComment=null, nameInitials=null, affiliation=null, department=null, xref=null, address=中国煤炭科工集团北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013, bio={"content":"

李美军（1988），女，博士，副研究员，主要从事强化换热研究工作，E-mail：limeijunFiona@163.com。

"}, bioImg=null, bioContent=

李美军（1988），女，博士，副研究员，主要从事强化换热研究工作，E-mail：limeijunFiona@163.com。

, aboutCorrespAuthor=null)}, companyList=[AuthorCompany(id=1319294748213489906, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, xref=null, ext=[AuthorCompanyExt(id=1319294748221878515, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, companyId=1319294748213489906, language=EN, country=null, province=null, city=null, postcode=null, companyName=null, departmentName=null, remark=Beijing Tiandi Rongchuang Technology Co.，Ltd.，China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China), AuthorCompanyExt(id=1319294748238655732, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, companyId=1319294748213489906, language=CN, country=null, province=null, city=null, postcode=null, companyName=null, departmentName=null, remark=中国煤炭科工集团北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013)])]), Author(id=1319294750029623548, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, orderNo=1, firstName=null, middleName=null, lastName=null, nameCn=null, orcid=null, stid=null, country=null, authorPic=null, dead=0, email=nf37@163.com, emailSecond=null, emailThird=null, correspondingAuthor=1, authorType=1, ext={EN=AuthorExt(id=1319294750121898238, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, authorId=1319294750029623548, language=EN, stringName=Fang NIU, firstName=Fang, middleName=null, lastName=NIU, prefix=null, suffix=null, authorComment=null, nameInitials=null, affiliation=null, department=null, xref=null, address=Beijing Tiandi Rongchuang Technology Co.，Ltd.，China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China, bio=null, bioImg=null, bioContent=null, aboutCorrespAuthor=null), CN=AuthorExt(id=1319294750189007103, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, authorId=1319294750029623548, language=CN, stringName=牛芳, firstName=null, middleName=null, lastName=null, prefix=null, suffix=null, authorComment=null, nameInitials=null, affiliation=null, department=null, xref=null, address=中国煤炭科工集团北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013, bio=null, bioImg=null, bioContent=null, aboutCorrespAuthor=null)}, companyList=[AuthorCompany(id=1319294748213489906, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, xref=null, ext=[AuthorCompanyExt(id=1319294748221878515, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, companyId=1319294748213489906, language=EN, country=null, province=null, city=null, postcode=null, companyName=null, departmentName=null, remark=Beijing Tiandi Rongchuang Technology Co.，Ltd.，China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China), AuthorCompanyExt(id=1319294748238655732, tenantId=1146029695717560320, journalId=1316781260334530699, articleId=1319294745801765085, companyId=1319294748213489906, language=CN, country=null, province=null, city=null, postcode=null, companyName=null, departmentName=null, remark=中国煤炭科工集团北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013)])])]

李美军, 牛芳

作者信息

中国煤炭科工集团北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013

通讯作者:

牛芳（1986），女，博士，研究员，主要从事强化换热和燃料清洁高效利用等研究工作，通信地址：100013北京市东城区和平里东街11号8号楼10层中国煤炭科工集团北京天地融创科技股份有限公司，E-mail：nf37@163.com。

作者简介:

李美军（1988），女，博士，副研究员，主要从事强化换热研究工作，E-mail：limeijunFiona@163.com。

Study on wettability of falling film on multi‑row horizontal tubes

Meijun LI, Fang NIU

Affiliations

Beijing Tiandi Rongchuang Technology Co.，Ltd.，China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China

出版时间: 2025-11-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.11.004

文章导航

摘要

收起

为针对降膜换热器设计与运行优化问题，提出采用高清摄影与数字图像处理技术，探究多排水平管外降膜流动的润湿性，通过搭建十排水平管可视化实验台，分析了3种管径、4种管间距及4种管间流型下的液膜分布，提出“润湿长度”指标，并分析其随管径管径（d）、管间距（s）及液膜雷诺数（Re_l）的变化规律，得到结果为：流量、管径、管间距增大均促进润湿长度增长；当s/d=1.25，滴状、柱状、片状流型的最佳管径分别为16，25，25 mm；Re_l≤505时，润湿效果优劣顺序为l_{16 mm}>l_{19 mm}>l_{25 mm}，Re_l>505时为l_{25 mm}>l_{16 mm}>l_{19 mm}。拟合润湿比及总润湿长度关联式，与实验值、文献实验值对比，平均误差分别小于10%和8%，吻合良好。结论是可为传热传质实验及换热器设计提供理论支撑。

关键词

流体动力学 / 水平管降膜 / 多排管 / 吸收 / 润湿性

Abstract

收起

To address the design and operational optimization issues of falling film heat exchangers，high‑definition photography and digital image processing techniques were proposed to investigate the wettability of falling film flow outside multi‑row horizontal tubes.By constructing a ten‑row horizontal tube visualization experimental platform，liquid film distribution under three tube diameters，four tube spacings，and four inter‑tube flow patterns was analyzed.The “wetting length” indicator was proposed，and its variation patterns with tube diameter （d），tube spacing （s），and liquid film Reynolds number （Re_l） were analyzed.The results are as follows：increasing flow rate，tube diameter，and tube spacing all promote wetting length growth；when s/d=1.25，the optimal tube diameters for droplet，columnar，and sheet flow patterns are 16，25，25 mm，respectively；when Re_l≤505，the wettability ranking is l_{16 mm}>l_{19 mm}>l_{25 mm}，while when Re_l>505，it is l_{25 mm}>l_{16 mm}>l_{19 mm}.Correlation formulas for wetting ratio and total wetting length were fitted and compared with experimental values and literature experimental values，with average errors less than 10% and 8%，respectively，showing good agreement.The conclusion is that this can provide theoretical support for heat and mass transfer experiments and heat exchanger design.

Key words

fluid dynamics / falling film over horizontal tubes / multi‑row tubes / absorption / wettability

引用本文

李美军, 牛芳. 水平管降膜多排管外液膜润湿性研究. 流体机械, 2025 , 53 (11) : 25 -33 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.11.004

Meijun LI, Fang NIU. Study on wettability of falling film on multi‑row horizontal tubes[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (11) : 25 -33 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.11.004

正文

收起

0　引言

收起

水平管外降膜换热器因其高效、低阻的传热特性，被广泛应用于空调制冷^［1-2］、海水淡化^［3］、石油化工^［4］、工业余热回收^［5-6］、氢能储运^［7］等领域。水平管降膜主要包括管外降膜区与管间流动区，而降膜蒸发或吸收的传热传质发生在管外降膜区的气液交界面上，因此，液膜润湿面积、铺展形状是影响传热传质系数、进而影响换热器性能的关键参数。随着流动参数（如喷淋密度、流体物性）及结构参数（如管径、管间距及管排数）改变，管外液膜润湿面积及铺展形状波动范围较大，进而影响传热传质性能。深入揭示各参数对水平光管外润湿性的影响规律，改善管表面润湿状态，是优化换热器运行参数与结构配置、提升传热传质效率的重要基础^［8-9］。

由于水平管外液膜流动行为复杂多变，是操作参数和结构参数相互耦合、相互影响的综合结果，相关研究者从试验测试和数值模拟两方面对光管外的润湿性进行了一些研究。在喷淋密度、流体物性等操作参数对润湿性的影响方面，KILLION等^［10］通过试验研究，提出管外润湿性对水平管降膜传热传质的显著影响；JEONG等^［11］首次提出并定义了表征润湿程度的重要参数——润湿比，即管表面总润湿面积与总管表面积之比，并通过二维模拟表明，传热传质系数均随润湿比变化而变化，但在流量较小的滴状流型下，润湿比产生的影响很小；CASTRO等^［12］结合试验与沿管周向的二维模拟研究表明，润湿比为接触角与流体流量的函数。随着模拟手段的不断进步，ARROIABE等^［13］通过建立沿管周向和管轴向的三维模型，验证了润湿比为接触角与流量的函数。JI等^［14］通过深入研究，得出润湿比与流体流量成正比、与静态接触角成反比的共识性结论。文献［5，15-16］采用三维模拟手段，明确了管外液膜沿管轴向的分布特性，认为液膜在液柱间呈波峰-波谷状分布，且液柱中间位置处液膜厚度最大，润湿性最好。

在管径、管间距、管材、管表面结构、管排布等结构参数对润湿性的影响方面，田野^［17］通过试验研究了相邻液柱的间距与液滴飞溅量的关系，表明管径、管间距等结构参数是影响液滴飞溅的主要因素，而液滴飞溅会导致参与降膜流动的流体流量减小，进而影响管外润湿性。MARTINEZ‑URRUTIA等^［18］通过试验对比铜、铝、不锈钢三种管材的影响，表明与铜相比，铝和不锈钢具有更好的润湿性。文献［19-20］研究了降膜管表面强化结构的影响。文献［21-26］则设计了不同的管排列方式，增加管外液膜铺展面积，进而提高换热器传热传质性能。

以上研究多是从定性角度揭示管外润湿性的变化规律，且普遍研究管排数不大于3排的情况，而关于实际应用中常见的多排（>3排）管外润湿性定量表征的研究较少。KIM等^［27］通过试验和模拟，研究了LiBr溶液在28排水平降膜管外的润湿性，并给出了润湿比关于液膜雷诺数（Re_l）、韦伯数（We）和降膜段总高度（H）的试验关联式，该式表征了流体流量、总降膜高度对润湿比的影响规律，但该式与试验结果的误差达±20%，仅适用于30<Re_l<120的工况。LU等^［28］以水为工质，通过试验研究了20排水平降膜管外的润湿性，并给出了润湿比关于液膜雷诺数（Re_l）、气流雷诺数（Re_air）的试验关联式，该式表征了流体流量、气流速度对润湿比的影响规律，但该式仅适用于降膜管管径9.5 mm、管间距20 mm的工况。研究表明^{［16，29-31］}，在相同的喷淋密度下，随管径增加，管外液膜铺展面积显著增大；管间距增大，导致对下排管液膜的冲击力增大，但同时飞溅量增多，进入下排管的流体流量减小，润湿性在双重作用下变化规律并不单一。由此可知，管径、管间距是影响润湿性的重要因素。而之前关于润湿性的定量试验关联式并未考虑以上因素。因此，利用试验手段研究多排光管下操作参数和结构参数对管外润湿性的变化规律和定量表征十分必要，是进一步研究降膜换热器传热传质规律及强化手段的基础，可为其设计、优化及运行调控提供数据支撑。

本文采用可视化试验方法，以水为试验流体，设计并搭建10排水平管降膜流动实验台，对比分析4种不同管间距、3种管径和4种液膜雷诺数下，液膜在多排管外铺展情况，并将高清摄像技术和图像处理软件Camera Measure相结合，提出润湿长度的概念，拟合具有高预测性的试验关联式以定量表征管外润湿特征。研究可为多排水平管降膜换热器设计及操作参数调控提供参考。

1　试验系统设计及方法

收起

1.1　试验系统设计

水平管降膜循环系统由水循环段、水平管降膜段和图像采集段组成，如图1所示。

水循环段用于运输、储存流体，包括离心泵、流量调节阀、流量计及连接管道。其中，离心泵用于给流体提供动力，采用轻型卧式，型号为CHM1-2LSWSC，功率500 W，流量为0~400 L/h，扬程15.5 m；流量调节阀用于平稳调节流量，采用球阀；流量计用于测量流体流量，采用容积式齿轮流量计，型号为CX-M1，测量范围为0~180 L/h，精度为±0.5%。

水平管降膜段用于流体布液及形成管外降膜，包括布液管、降膜管、十字光轴系统、热电阻及边界壁板。其中，布液管用于均匀分配流体至降膜管上，材料为有机玻璃，管径20 mm，壁厚1 mm，长度300 mm，底部设喷淋孔，孔径为1 mm，孔间距7 mm，开孔总长95 mm。降膜管用于使流体在管外壁形成均匀、连续薄膜，材料为不锈钢，呈10排单列，管外表面经抛光处理后粗糙度达Ra3.2，接触角为60.3°（温度25 ℃）。十字光轴系统包括滑块、十字光轴、水平仪及铅锤，分别用于固定降膜管、调整管间距、校正水平度和垂直度。热电阻用于测量流体温度，确保试验恒温，型号为PT100，测量范围为0~600 ℃，精度为±0.15 ℃，设置在布液管进口处。边界壁板用于防止气流干扰流体降膜，其左右两侧为高透明玻璃，正面为200 mm×600 mm的可视化窗口。

图像采集段用于清晰记录管外降膜流动情况，并储存图像，以便后期图像处理，包括高清摄像机和照明装置。其中，高清摄像机用于清晰记录并储存降膜管外流动图像，型号为索尼A7M3，可拍摄4K高清图片，最大快门速度20 张/秒，相机三脚架设置在固定位置，以防图片采集发生误差。照明装置用于为试验提供稳定无频闪光源，采用24寸高清无频补光灯。

试验流程如下：工质流体储存在循环储液箱，在离心泵作用下，经流量调节阀、金属管浮子流量计等，进入布液管；撞击第一排降膜管后，在管外形成降膜流下，随流量不同在管间呈现滴状、柱状或片状等流型；而后落至下排管，经10排管降膜后流至循环储液箱，完成循环。试验过程中，观察并记录降膜管外液膜流动及管间流型变化，并分别在体积流量为0.1，0.5，1.0，1.5 m³/h时，对应液膜雷诺数（Re_l）为50.5，253，505，758。保持流量稳定循环10 min，使降膜管外液膜充分铺展后进行拍照记录，以确保图像准确性。

1.2　试验工况设计

为探究不同管径、管间距及流体流量对多排水平管外液膜润湿性的影响，共设置48种试验工况，每种工况重复3次，并进行误差分析。降膜管的管径选择16，19，25 mm共3种。文献［5-7］的研究表明，管间距与管径存在耦合影响。因此，管间距s设置为不同管径d的倍数，即s/d分别为0.75，1，1.25和1.5共4种。流体流量选择10，50，100，150 L/h共4种。

1.3　试验误差分析

试验主要误差来源包括三部分：仪表误差、设备加工误差和图像处理人工误差。仪表误差主要来自流量计，对应的相对误差为±0.5%；设备加工误差主要来自布液管，有效喷淋长度100 mm的加工误差为±2 mm，故相对误差为±2%；图像处理人工误差来自于图像拍摄及处理过程，由于液膜边缘辨识模糊造成的误差，通过对200 mm标尺的多次测量和校准，确定图像处理相对误差为±2.5%。采用均方根法对以上三项相互独立的随机误差进行合成，则总误差为±3.24%。

2　结果分析

收起

2.1　参数表征

水平管降膜流动中，通常采用液膜雷诺数Re_l表征流体的流量，不同液膜雷诺数下两排管间的流型呈现差异。Re_l通过下式计算：

R e l = 4 Γ μ

（1）

其中：

Γ = m / L s

（2）

式中，Re_l为液膜雷诺数，无量纲；Г为降膜管两侧单位长度质量流量，kg/（m⋅s）；μ为流体动力黏度，Pa⋅s；m为流体质量流量，kg/s；L_s为布液管喷淋长度，m。

试验采用同种液体作为工质，试验过程中流体温度、密度、动力黏度和喷淋长度均操持一致，分别为25 ℃，997.576 kg/m³，0.000 9 Pa·s和0.105 m，流体流量为10，50，100，150 L/h时，对应Re_l分别为50.5，253，505，758，根据文献［10］，分别对应滴状、柱状、柱片状和片状的管间流型，如图2所示。

为表征管外润湿性，文中提出“润湿长度”的概念，定义为每排管外液膜沿管轴向的铺展长度，用以表征不同参数下每排管的局部润湿特征，如图3所示。由于各管径的降膜管长度相同，因此在相同条件下，该值越大，单管润湿性越好。同时，定义总润湿长度l为试验段10排管的润湿长度之和，用以表征不同参数下10排管的整体润湿特征。

2.2　不同管间距对总润湿长度的影响

图4示出不同管间距下10排管外总润湿长度的变化规律，反映了试验段的整体润湿性。相同工况下，随s/d增大，总润湿长度呈先增大后减小，或持续增大的趋势。很明显，s/d=0.75时的管外总润湿长度均较小，这是由于管间距较小时，管间流体受重力与表面张力的作用时间短，动力势能不足，对下排管顶部液膜的冲击扰动作用较弱，导致液膜沿管轴向无法充分铺展，因此总润湿长度较小。s/d增大至1或1.25时，总润湿长度多数呈峰值状态，管外润湿性较好，是由于此时管间距适中，管间流体受重力作用时间长，动力势能增大，扰动幅度增大但飞溅量较小，几乎所有流体均冲击下排管顶部，使下排管液膜沿轴向方向迅速铺展，整体润湿性能最好。然而，当s/d继续增大至1.5时，此时管外润湿长度基本趋于稳定甚至略有下降，主要原因是管间距过大，重力作用下管间流体的动力势能过大，导致液滴冲击下排管后飞溅量迅速增加，有效参与管外降膜的流体流量减少，导致管外总润湿长度略有下降。同时，不同管间流型下，管间距对总润湿长度的影响不同。Re_l=50.5时，管间为滴状流型，液滴相互独立，相互扰动微弱，此时总润湿长度主要受液体流量的影响，管间距的影响不明显；当管径分别为16，19，25 mm时（见图4），总润湿长度随管间距的变化幅度绝对值分别为16.7%，10.3%，5.4%，可见管间距的影响随管径增大而逐渐减弱。Re_l=253时，管间为柱状流型，相比于滴状流型，液柱对下排管的冲击增强，管间距增大造成的液柱动力势能变化加剧，促进下排管润湿，对总润湿长度的影响较明显；当管径分别为16，19，25 mm时，总润湿长度随管间距的变化幅度分别为15.7%，37.7%，16.3%，可见管间距的影响随管径增大呈先增大、后减小的趋势，在管径为19 mm处达到最大。Re_l=758时，管间为片状流型，当管径分别为16，19，25 mm时，总润湿长度随管间距的变化幅度分别为10%，20.8%，17.1%，可见相较于柱状流型，流体流量进一步增大后，管间距对总润湿长度的影响因素减弱。

因此在降膜换热器设计中，对于滴状流型，d>16 mm时，管间距可根据体积、成本等选择，对总润湿长度的影响不大，d≤16 mm时最佳管间距为s/d=1；对于柱状流型，最佳管间距为s/d=1.25；对于片状流型，管径分别为16，19，25 mm时，最佳管间距分别为s/d=1.25，1，1.5。

2.3　不同管径对管外液膜润湿性的影响

图5示出不同管径下10排管外总润湿长度的变化规律。从图可见，不同管间流型下，总润湿长度随管径的变化规律不同。Re_l=50.5时，管间为滴状流型，无论管间距如何变化，总润湿长度均随管径增大而显著减小，且减小幅度逐渐减弱，这是由于此时流体流量较小，管径增大后，停留在管外表面的降膜溶液增多，管间流体减少后对下排管的冲击减弱，从而影响下排管的润湿性及总润湿长度。Re_l=253时，管间为柱状流型，s/d=1.25时〔见图5（c）〕，总润湿长度随管径增大而减小，这与滴状流型的变化趋势和原因相似；但当s/d=1.5后〔见图5（d）〕，总润湿长度随管径增大呈先减小、后增大的趋势，这是由于管间距增大会增加管间流体的动力势能，冲击下排管使总润湿长度增大，而管径增大则增大了溶液在上排的铺展面积，使进入下排的溶液量减少，总润湿长度减少，两个因素双重作用下产生了以上的变化。Re_l=505时，管间为柱片状，当s/d=1.5时，总润湿长度随管径变化逐渐呈现先减小、后增大的趋势，说明当s/d≥1.5以后，管间流体动力势能增大对总润湿长度的促进作用大于管径增大造成的抑制作用。Re_l=758时，管间为片状，s/d≤1时〔见图5（a）（b）〕，总润湿长度随管径增大而增大，这与前面三种管间流型的变化趋势完全相反；当s/d≥1.25时〔见图5（c）（d）〕，总润湿长度则先减小、后增大。

文献［17］通过试验研究了16，19，25.4 mm三种管径下水平管降膜流动的液滴飞溅量，结果表明，在同一条件下，随管径增大，液滴飞溅量呈先增大、后减小的趋势，即管径19 mm时液滴飞溅量最大，实际参与降膜的流体流量减小，总润湿长度会减小，这与本试验中s/d≥1.25，Re_l≥253时均出现管径为19 mm时的总润湿长度最小的现象吻合。因此，总润湿长度是液膜波动、液体流量、液膜厚度与飞溅量等多重因素综合作用的结果。

在降膜换热器设计中，关于最佳管径的选择，除了考虑总润湿长度，还应考虑管径改变导致的降膜管周向长度变化，二者相乘即得到润湿面积。16，19，25 mm三种管径下水平管周长之比分别为1∶1.19∶1.56。当s/d=1.25时，对于滴状流型，3种管径下润湿长度之比约为64∶43∶38，则润湿面积之比约为64∶51∶59，最佳管径为16 mm；对于柱状流型，润湿长度之比约为81∶73∶58，则润湿面积之比约为81∶87∶90，最佳管径为25 mm；对于片状流型，润湿长度之比约为87∶79∶93，则润湿面积之比约为87∶94∶145，最佳管径为25 mm。

2.4　不同Re_l对多排管外液膜润湿分布的影响

图6示出不同管径下10排管外总润湿长度随Re_l的变化规律。从图6（a）（b）可以看出，管径为16，19 mm降膜管的总润湿长度均随Re_l增大而增大，并在Re_l≥505后趋于平稳或略有下降。从图6（c）可以看出，管径为25 mm降膜管的总润湿长度则随Re_l增大持续增大。这是由于Re_l增大即溶液流量增大，受布液管布液长度的限制，管径较小时，停留在每排管外的降膜流体流量较少，进入下排参与降膜的流体流量很多，因此很快达到总润湿长度的最大值，此后再增加溶液流量，则流体流速增大，对液膜的扰动增加，液滴飞溅量增多，因此可能导致总润湿长度不增反降；而管径较大时，进入下排参与降膜的流体流量较少，在Re_l≤758的试验范围内，尚不能达到总润湿长度的最大值，因此呈持续上升趋势。

同时可明显看出，不同管径下，Re_l对总润湿长度的影响程度存在差异。Re_l从50.5增大到758，管径16 mm下，4种管间距的总润湿长度平均值从650 mm增加到830 mm，增幅达28%；管径19 mm下，总润湿长度平均值从410 mm增加到800 mm，增幅达95%；管径25 mm下，总润湿长度平均值从370 mm增加到890 mm，增幅达140%，可见Re_l对大管径的润湿效果影响更为显著。当Re_l≤505时，即滴状和柱状流型下，不同管径下的润湿效果优劣顺序为l_{16 mm}>l_{19 mm}>l_{25 mm}；当Re_l>505时，即片状流型下，不同管径下的润湿效果优劣顺序为l_{25 mm}>l_{16 mm}>l_{19 mm}，管径19 mm呈现较差的润湿效果，这与文献［17］中该管径下液滴飞溅量较大的结论一致。

在降膜换热器设计中，关于最佳Re_l的选择，从润湿效果而言，Re_l越大越好，但实际设计和运行中应结合设备成本及运行经济性综合考虑，在达到换热效果的同时，尽量降低Re_l。同时，当选择管径25 mm时，需结合工况严格筛选适宜的Re_l范围。

2.5　润湿比和总润湿长度的定量表征

根据润湿比和总润湿长度的定义，综合分析48种试验工况下不同参数对二者的耦合影响，分别拟合得到润湿比η和总润湿长度l与Re_l、管径d、管间距s的试验关联式：

η = ε [0.062 89 R e l 0.351 69 + (0.003 73 d 2 - 0.167 23 d + 2.052 25) (s / d) 0.149 99]

（3）

l = η l a

（4）

式中，ε为管排数的修正系数，10排管取ε=1，20排管取ε=0.35；l_a为总管长度，m。

式（3）式（4）的适用范围：16 mm≤d≤25 mm，1≤s/d≤1.5，50.5≤Re_l≤758。

为验证式（3）的准确性，将其计算值与本文试验测试结果进行对比，得到相同工况下润湿比随管径、管间距和Re_l的变化，如图7~9所示。平均误差小于10%，验证该式预测结果与试验结果十分吻合。同时，将式（3）与文献［28］的试验数据对比，结果见图9。由于文献［28］的试验管排数为20，式（3）的修正系数ε取0.35，结果表明，式（3）与文献［28］中试验数据的平均误差小于8%，可见该式的预测结果与文献的试验结果吻合良好。相较于文献［28］中的试验关联式，本关联式综合考虑了降膜过程中操作参数和结构参数的影响，能够准确定量地表征不同工况下水平管外降膜的润湿性，可为传热传质试验和水平管降膜换热器的设计提供基础数据支撑。

3　结论

收起

（1）管间距s/d=0.75时，管外总润湿长度均较小，管间距的影响随管径增大而逐渐减弱。对于滴状流型的换热器设计，d>16 mm时管间距可根据体积、成本等选择，d≤16 mm时最佳管间距为s/d=1；对于柱状流型，最佳管间距为s/d=1.25；对于片状流型，管径分别为16，19，25 mm时，最佳s/d分别为1.25，1，1.5。

（2）管径增大对总润湿长度的影响受管间流体动力势能增大的促进作用和液膜铺展面积减小的抑制作用双重影响。在设计中，当s/d=1.25时，滴状流型的最佳管径为16 mm；柱状和片状流型管径均为25 mm。

（3）Re_l≤505时，润湿效果优劣顺序为l_{16 mm}>l_{19 mm}>l_{25 mm}；Re_l>505时，润湿效果优劣顺序为l_{25 mm}>l_{16 mm}>l_{19 mm}，在设计和运行中，应结合设备成本及运行经济性综合考虑，尽量降低Re_l。当选择管径25 mm时，需结合工况严格筛选适宜的Re_l范围。

（4）拟合得到润湿比η和总润湿长度l与Re_l、管径d、管间距s的试验关联式，与本文试验测量值和文献［28］试验值对比，平均误差分别小于10%和8%，吻合良好。

参考文献

收起

文献

收起

参考文献引证文献

排序方式：

TAHIR F，MABROUK A，KOC M.Influence of co‑current vapor flow on falling film over horizontal tube［J］.International Journal of Thermal Sciences，2021，159：106614.

张先开，王博宇，郭亚丽，等.水平圆管降膜蒸发式冷凝器热力性能计算分析［J］.化工学报，2025，76（3）：995-1005.

ZHANG X K，WANG B Y，GUO Y L，et al.Calculation and analysis of thermal performance of horizontal circular tube falling film evaporative condenser［J］.CIESC Journal，2025，76（3）：995-1005.

何雪静，王吉，李振林.横掠管束降膜流动和传热特性［J］.流体机械，2023，51（3）：69-76.

HE X J，WANG J，LI Z L.Numerical simulation of falling film flow and heat transfer across tube bundles［J］.Fluid Machinery，2023，51（3）：69-76.

沈永泽，李庆生.水平蛋形管降膜蒸发器管外液膜铺展数值模拟［J］.化学工程，2021，49（1）：70-75.

SHEN Y Z，LI Q S.Numerical simulation of film spreading on horizontal oval‑shaped tube falling film evaporator［J］.Chemical Engineering（China），2021，49（1）：70-75.

李美军.高湿度烟气水平管降膜吸收过程的传热传质研究［D］.北京：中国科学院工程热物理研究所，2017.

LI M J.Investigation of the heat and mass transfer of falling films over horizontal tubes in the presence of humid flue gas［D］.Beijing：Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，2017.

时国华，林俊华，田志敏，等.降低热网回水温度的钢厂余热回收供暖分析［J］.科学技术与工程，2021，21（35）：15035-15042.

SHI G H，LIN J H，TIAN Z M，et al.Analysis of waste heat recovery from steel plant for heating by reducing return water temperature［J］.Science Technology and Engineering，2021，21（35）：15035-15042.

孙崇正，李玉星，许洁，等.浮式氢能储运过程中FLH₂通道管外降膜流动的海上适应性强化机理［J］.化工进展，2024，43（1）：338-352.

SUN C Z，LI Y X，XU J，et al.Offshore adaptability enhancement mechanism of falling film flow outside the FLH₂ channel tube during floating hydrogen energy storage and transportation［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2024，43（1）：338-352.

LI M J，LU Y.Numerical and experimental study of local heat mass transfer characteristics of horizontal falling films of CaCl₂ solution absorbing vapor from humid air［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2020，153：119574.

WAN Z H，LI Y Z.A review of falling film evaporation under different surface structures and external disturbances［J］.Journal of Enhanced Heat Transfer，2025，32（1）：1-39.

KILLION J D，GARIMELLA S.A critical review of models of coupled heat and mass transfer in falling‑film absorption［J］.International Journal of Refrigeration，2001，24（8）：755-797.

JEONG S，GARIMELLA S.Falling‑film and droplet mode heat and mass transfer in a horizontal tube LiBr/water absorber［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2002，45（7）：1445-1458.

CASTRO J，OLIVA A，PEREZ‑SEGARRA C D，et al.Modelling of the heat exchangers of a small capacity，hot water driven，air‑cooled H₂O-LiBr absorption cooling machine［J］.International Journal of Refrigeration，2008，31（1）：75-86.

ARROIABE P F，MARTINEZ‑URRUTIA A，PEAÑ X，et al.Influence of the contact angle on the wettability of horizontal‑tube falling films in the droplet and jet flow modes［J］.International Journal of Refrigeration，2018，90：12-21.

JI G，WU J F，CHEN Y P，et al.Asymmetric distribution of falling film solution flowing on hydrophilic horizontal round tube［J］.International Journal of Refrigeration，2017，78：83-92.

LI M J，LU Y，ZHANG S J，et al.A numerical study of effects of counter‑current gas flow rate on local hydrodynamic characteristics of falling films over horizontal tubes［J］.Desalination，2016，383：68-80.

邱庆刚，孟垂举，权生林，等.相邻液柱在横管外成膜规律的三维数值模拟［J］.工程热物理学报，2018，39（5）：1044-1048.

QIU Q G，MENG C J，QUAN S L，et al.3D Simulation on flow behavior of two adjacent columns outside horizontal tube［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2018，39（5）：1044-1048.

田野.降膜流动中液柱分离间距与飞溅量的实验研究［D］.大连：大连理工大学，2017.

TIAN Y.Experimental study on liquid column separation distance and splash volume in falling film flow［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2017.

MARTINEZ‑URRUTIA A，ARROIABE P，RAMIREZ M，et al.Contact angle measurement for LiBr aqueous solutions on different surface materials used in absorption systems［J］.International Journal of Refrigeration，2018，95：182-188.

LEE S，KÖROGLU B，PARK C.Experimental investigation of capillary‑assisted solution wetting and heat transfer using a micro‑scale，porous‑layer coating on horizontal‑tube，falling‑film heat exchanger［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35（4）：1176-1187.

吴京栋.水平管表面多孔涂层对降膜流动及传热的影响［D］.西安：西安建筑科技大学，2023.

WU J D.Effect of porous coating on falling film flow and heat transfer over horizontal tubes［D］.Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology，2023.

ZHANG H H，ZHOU Y S.Effect of wind speed on the spatial distribution of liquid film thickness outside the horizontal falling‑film tube［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2022，187：122584.

CHEN Y，CAO R，WU J，et al.Alternate heat and mass transfer absorption performances on staggered tube bundle with M-W corrugated mesh guider inserts［J］.International Journal of Refrigeration，2016，66：10-20.

QIU Q G，MENG C J，QUAN S L，et al.3D Simulation on flow behavior of two adjacent columns outside horizontal tube［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2018，39（5）：1044-1048.

YI Y，HU T，XIE X，et al.The influence of a vertical chevron corrugated plate on wetting and thermal performance of a detachable plate‑type falling film absorber［J］.Applied Thermal Engineering，2020，179：115704.

王星天，朱俊峰，曹亮，等.螺纹槽管传热和流体阻力的数值模拟［J］.科学技术与工程，2021，21（17）：7092-7097.

WANG X T，ZHU J F，CAO L，et al.Numerical investigation of heat transfer and fluid resistance in spirally fluted tubes［J］.Science Technology and Engineering，2021，21（17）：7092-7097.

王江坤，马小晶，宋兵兵，等.基于仿生结构对水平管降膜蒸发换热的模拟［J］.科学技术与工程，2023，23（2）：580-588.

WANG J K，MA X J，SONG B B，et al.Simulation of falling film evaporation heat transfer in horizontal tubes based on optimized bionic structure［J］.Science Technology and Engineering，2023，23（2）：580-588.

KIM J K，PARK C W，KANG Y T.The effect of micro‑scale surface treatment on heat and mass transfer performance for a falling film H₂O/LiBr absorber［J］.International Journal of Refrigeration，2003，26（5）：575-585.

LU J，LIU Z，XU X W，et al.Experimental study of the falling film evaporative cooling on horizontal tubes plates［J］.International Journal of Refrigeration，2022：138：108-117.

葛强强，王学生，付亚波，等.不锈钢纵槽管降膜蒸发传热性能［J］.科学技术与工程，2017，17（20）：160-165.

GE Q Q，WANG X S，FU Y B，et al.Heat transfer performance of falling film evaporation on stainless steel vertical fluted tubes［J］.Science Technology and Engineering，2017，17（20）：160-165.

ZHANG H，YIN D，YOU S，et al.Experimental investigation of Heat and mass transfer in a LiBr-H₂O solution falling film absorber on horizontal tubes：comprehensive effects of tube types and surfactants［J］.Applied Thermal Engineering，2018，146：203-211.

CAO C P，XIE L X，HE X，et al.Numerical study on the flow and heat‑transfer characteristics of horizontal finned‑tube falling‑film evaporation：Effects of liquid column spacing and wettability［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2022，188：122665.

2025年第53卷第11期

引用本文

BibTeX

文章信息

doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.11.004

接收时间：2025-07-28
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-11-30

补充材料

相关文章

文章信息

作者

出版历史

收稿日期：2025-07-28
修回日期：2025-10-17

基金

作者信息

中国煤炭科工集团北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013

通讯作者:

参考文献

分享链接

https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ltjx/CN/10.3969/j.issn.1005-0329.2025.11.004

分享至

全文二维码

扫描看全文

引用本文

BibTeX

本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

关闭全屏

BibTeX
EndNote
RefWorks
TxT