搖擺條件下窄通道內單相水流態轉捩特性

閻昌琪，幸奠川，曹夏昕，謝清清，2

(1.哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱150001;2.中國核動力研究設計院，四川成都610041)

矩形窄縫流道因其換熱面積大，設備結構緊湊，沸騰過熱度低等優點在很多工程領域內得到了實際應用，如航空航天，熱能動力設備，船舶動力系統，大型集成電路冷卻等.國內外學者對穩態窄矩形通道內單相流動特性展開了大量研究［1-2］，但對非穩態條件下矩形通道內流動特性的研究較少.

在非穩態動力系統中，工質流體流動特性會發生改變.文獻［3-4］對搖擺條件下圓管內單相水絕熱流動特性做了一定的研究，但主要集中在湍流區.幸奠川等對搖擺條件下矩形通道內層流區和湍流區單相水絕熱流動特性進行了實驗研究，但未對過渡區流態轉捩特性做細致分析［5-6］.過渡區局部流動特性的輕微改變難以造成壓差等參數的明顯變化，因此，搖擺條件下窄通道內單相水臨界點附近的流動特性尚不明確.可視化流跡顯示方法因具有直觀可靠，成本低廉等特點而被研究者用以顯示流動特性［7-8］.本文采用示蹤劑，直觀的揭示了搖擺對臨界點附近流動特性的影響機理.

1 搖擺臺及實驗回路簡介

本文采用的搖擺臺與文獻［9］相同，搖擺臺的運動規律為

式中:θ、ω和β分別為t時刻的角位移(逆時針為正)、角速度和角加速度;θm、T和f分別為搖擺振幅，搖擺周期和搖擺頻率(T=1/f).本實驗搖擺工況組合為(按θm～T的表示方式):10°～8 s、10°～12 s、10°～16 s、15°～16 s、30°～16 s.

實驗回路如圖1所示，實驗中用高位水箱提供壓頭以獲得穩定的流量及恒定的壓頭.示蹤劑為紅墨水與酒精按1∶4的混合溶液，以保證和實驗工質密度接近(純凈水).流動阻力特性實驗采集的參數包括實驗段流量、水溫及測壓孔間壓降.可視化流跡顯示實驗時，待流動穩定后記錄實驗參數，采用尼康D200單反相機拍攝照片.流量和壓降信號通過NI SCXI-1338模塊與計算機采集系統實時采集;溫度采用二級標準溫度計在實驗段出口取樣測量，誤差為±0.1℃.壓差變送器(CECCS43:0～10 kPa)精度為0.2級.流量計(Promass 83:0～4 000 kg/h)測量精度為±0.1%.實驗件為光滑的有機玻璃矩形通道(2 mm ×40 mm×2 000 mm)，其中2個測壓孔間距1 600 mm，下測壓孔距入口200 mm，示蹤劑注入孔距入口800 mm.Re變化范圍為200～21 000，但重點集中在2 000～3 500.

圖1 實驗回路示意Fig.1 Schematic diagram of experimental loop

2 阻力特性實驗結果

穩定豎直狀態下，臨界Re大約在2 550左右，見圖2.搖擺條件下平均摩阻系數曲線轉折臨界點隨搖擺工況的不同而變化.平均摩阻系數轉折點隨搖擺周期的變化不明顯，隨搖擺振幅的增加而有所提前.當Re小于2 400(穩定的層流區)或者大于3 500(湍流區)時，搖擺對平均摩阻特性沒有明顯影響.Re介于2 400～3 500的過渡區時，不同搖擺工況下平均摩阻系數存在微小差別，但總體上變化不大，為進一步確定搖擺對臨界點附近流動特性的影響，還需進行可視化流跡顯示實驗.

圖2 搖擺條件下平均摩阻系數Fig.2 Mean friction coefficient under rolling condition

3 可視化研究結果及分析

3.1 可視化實驗結果

穩定豎直狀態下典型流態對應的示蹤劑如圖3所示.當Re小于2 550時，示蹤劑為一條清晰的沿流動方向的細直線，不與周圍流層發生水動力學攪渾，如圖3(a)，此時通道內為典型的穩定層流.當Re大于3 500時，示蹤劑迅速向四周均勻擴散，水流被均勻染色，此時流體質點發生劇烈的橫向攪渾，動量和能量傳遞使得染色劑迅速與周圍流體混合，通道內為典型的湍流，如圖3(c).由前文摩阻實驗可知，穩態條件下臨界Re大約在2 550左右.從Re為2 550開始，逐漸增加流量，到相應的Re為2 563時，示蹤劑在不確定的位置隨機出現小波動，但波動極為不穩定，迅速回到直線狀態，表明層流流動已經失穩，難以維持原狀，然而穩定的湍流狀態尚未形成，判定此時為過渡流起始狀態，如圖3(b).

在圖3(b)所示的狀態下，啟動搖擺臺，在其運動的正向最大角度，負向最大角度和平衡位置3個特征位置處拍攝示蹤劑的流動特征.10°～16 s搖擺工況下的示蹤劑形狀如圖4所示.顯然在正向最大搖擺角位置處通道內為典型的層流，流態轉捩受到抑制;平衡位置處和豎直穩態相似，搖擺對其影響不明顯;在負向最大搖擺角位置處示蹤劑跡線波動相對于穩定豎直狀態有所加強，此處轉捩受到促進.實驗觀察到搖擺工況為10°～8 s和10°～12 s時的示蹤劑流動特征與圖4相同，說明在一定幅度內改變搖擺周期對窄通道內單相水流態轉捩沒有明顯影響.

圖3 非搖擺狀態下流型Fig.3 Flow regimes under non-rolling condition

圖4 搖擺狀態下流跡(10°～16 s，Re=2 563)Fig.4 Flow regimes in rolling condition(10°～16 s，Re=2 563)

搖擺周期為16 s，最大搖擺角度為10°，15°和30°時，正向最大搖擺角度位置處示蹤劑流動特征始終如圖3(a)所示的細直線，對應的流態為層流.負向最大搖擺角位置處示蹤劑隨搖擺振幅的變化見圖5.由圖5可見，負向最大角度位置處示蹤劑橫向擴散隨著搖擺振幅的增加而加劇.搖擺振幅10°時擾動發生后迅速消失，示蹤劑恢復為細直線;搖擺振幅15°時，擾動在拍攝區內不能消失，但橫向擴散不均勻，未形成圖3(c)所示的湍流;搖擺振幅30°時，橫向擴散已比較均勻，湍流形成.搖擺振幅越大，對負向最大搖擺角度位置處的流態轉捩促進作用越強.

較小的搖擺振幅對平衡位置處示蹤劑沒有明顯影響，示蹤劑流跡與圖3(b)十分相似.搖擺振幅30°時，平衡位置處示蹤劑橫向波動比穩定狀態下劇烈，搖擺促進此處轉捩發生，見圖6.

圖5 負向最大搖擺角位置處流跡(T=16 s，Re=2 563)Fig.5 Flow regimes at the positions of negative maximal rolling angle(T=16 s，Re=2 563)

圖6 平衡位置處流跡(30°～16 s，Re=2 563)Fig.6 Flow regimes at the balance positions(30°～16 s，Re=2 563)

3.2 搖擺對流態轉折影響的機理解釋

文獻［10］給出了搖擺條件下附加壓降的積分關系式:

式中:下標1和2分別表示積分的起點和終點.對本實驗回路(見圖1)，僅AB和BE兩段內附加慣性力沿流動方向分量不為零.因此，搖擺條件下回路總的附加壓降為

整個回路運動部分(AB段與BE段)重位壓降為

結合圖1所示實驗回路尺寸，搖擺條件下回路運動部分附加壓降及重位壓降見圖7.

圖7 搖擺條件下回路總附加壓降和重位壓降Fig.7 The total additional and gravity pressure drop under rolling condition

由圖7及式(5)可見，搖擺條件下回路總的附加壓降和重位壓降的波動周期等于搖擺周期.搖擺臺處于正向最大角度時(A點)，附加壓降及重位壓降均處于最大值(30°時接近最大值)，附加壓降為正，驅動流動.相對于穩定豎直狀態，重位壓降的增加值(10°時1 074 Pa;30°時532 Pa)大于附加壓降(10°時70 Pa;30°時209 Pa).回路驅動壓頭恒定，摩擦壓降變化很小，此時回路總阻力增大導致流速減小，因此搖擺始終抑制正向最大角位置處流態轉捩.搖擺臺處于負向最大角位置時(C點)，重位壓降處于最小值，附加壓降處于負向最大值，阻礙流動.相對于穩定豎直狀態重位壓降減小量(10°時1 912 Pa;30°時8 076 Pa)遠大于附加壓降的絕對值(10°時70 Pa;30°時209 Pa)，此時回路總阻力大大減小從而流速增加，搖擺促進此處流動轉捩.搖擺振幅越大，相對于豎直穩態負向最大搖擺角位置處回路總阻力越小，搖擺對流態轉捩的促進作用越強.搖擺臺位于平衡位置時(B和D點)重位壓降和豎直穩態相同，附加壓降為正，驅動流動.搖擺振幅10°和15°時附加壓降分別為22.4 Pa和50.1 Pa，對流動影響不明顯;振幅為30°時，附加壓降為196 Pa，驅動作用已經比較明顯，因此相應的示蹤劑橫向擴散比穩態劇烈.

搖擺臺從正負兩個方向經過平衡位置時(B或D)附加壓降和重位壓降相同，因此搖擺方向對平衡位置處轉捩特性沒有影響.改變搖擺周期僅僅相當于將圖7中各曲線沿時間軸拉伸或者壓縮，對附加壓降幅值的影響很小，因此改變搖擺周期對流態轉捩沒有明顯影響.

4 結論

1)實驗結果表明穩定狀態下本實驗段臨界Re大約為2 550.Re小于2 400或大于3 500時，搖擺對矩形窄通道內單相水流態沒有明顯影響，但搖擺運動對臨界點附近流動特性有一定的影響.

2)搖擺運動始終抑制正向最大搖擺角位置處的流動，促進負向最大搖擺角度位置處的流動，搖擺振幅較小時對平衡位置處流動的促進作用不明顯.

3)負向最大擺角位置處增加搖擺振幅可促進流態轉捩，搖擺周期在一定范圍內對流態轉捩沒有明顯影響.

4)搖擺對流態轉捩的影響主要是通過改變整個回路有效重位壓降及造成整個回路附加壓降體現出來的，前者為主要影響因素.

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