周期力場下窄通道內汽泡滑移實驗研究

李少丹，譚思超，高璞珍，許 超，胡 健，鄭 強

（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）

周期力場下窄通道內汽泡滑移實驗研究

李少丹，譚思超，高璞珍，許 超，胡 健，鄭 強

（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）

為了探索海洋條件下的沸騰換熱機理，完善海洋條件下兩相流動模型，采用高速攝影設備對搖擺狀態周期力場下矩形窄通道內的汽泡滑移進行了實驗研究。實驗結果表明，在搖擺運動的影響下，汽泡的滑移速度發生了周期性波動，波動的周期與搖擺運動周期基本一致；搖擺運動所引起的附加慣性力以及系統流量的波動對汽泡滑移速度波動影響不大，搖擺運動所引起的汽泡直徑變化是影響汽泡滑移速度波動的主要原因。

周期力場；搖擺運動；汽泡滑移；矩形窄通道；流動沸騰；海洋條件；汽泡直徑

受海洋條件或者地震的影響，流動沸騰換熱設備會受到周期性變化的外力場作用。搖擺運動是周期性外力場作用的一種重要形式，它不僅會改變通道的流動特性，還會使通道內的換熱特性發生變化［1-5］。汽泡貼近加熱壁面的滑移運動是沸騰通道內汽泡的一種重要運動形式，汽泡的滑移對通道換熱有著重要的影響［5-8］。外力場的改變所帶來的直接結果就是改變汽泡所處的加速度場，從而影響汽泡滑移過程中所受到的浮力。周期力場對流動沸騰也會產生一些間接的影響，例如改變加熱表面附近的流場和溫度場分布，從而使通道內的汽泡行為發生改變。目前已有研究大多是針對靜止狀態下的汽泡滑移進行的［9-12］，影響搖擺運動下汽泡滑移的主要因素尚未確定，本文將對搖擺周期力場影響下的汽泡滑移進行實驗研究。

1 實驗裝置

本研究所采用的實驗回路如圖1所示，回路主要由可視化沸騰實驗段、電加熱預熱器、管殼式冷凝器、穩壓器、儲水箱、循環泵、體積流量計以及閥門和附屬管道組成。實驗所用工質為去離子水，對其中的不凝結氣體進行排除之后進行實驗。實驗段通道為矩形窄通道，窄邊高度為2 mm。對實驗段內的過冷沸騰汽泡采用高速攝影儀進行拍攝，搖擺運動過程中攝像機的拍攝位置固定。高速攝影儀的布置方式、實驗段結構以及汽泡圖像數據處理方法可參考文獻［10］。

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

本文搖擺實驗在液壓驅動搖擺實驗平臺上完成，如圖2所示，圖中同時給出了實驗段相對于搖擺臺的位置，通過控制電磁比例調節閥控制液壓桿的往復運動實現搖擺臺的正弦搖擺運動。在搖擺軸的中心處安裝有碼盤式角度傳感器，最小測量分度為0.01°，通過該角度傳感器可以監控搖擺臺的狀態，并且作為使搖擺臺進行正弦運動的控制信號。

圖2 搖擺臺結構示意圖Fig.2 Configuration of the rolling plate

搖擺臺搖擺角度隨時間變化函數可表示為

式中：θ（t）為瞬時搖擺角度，θm為搖擺運動的最大角度，T0為搖擺周期，t為時間。 對上式進行求導之后可以得到搖擺角速度與搖擺角加速度分別為

搖擺運動過程中涉及到正負角度的定義問題，本文中搖擺角度相對于實驗段定義如圖3所示。即加熱壁面向下時定義為負角度，加熱壁面向上時定義為正角度。

圖3 搖擺運動角度的定義Fig.3 Definition of the rolling angle

2 實驗結果及分析

2.1 搖擺運動下汽泡滑移速度規律

搖擺運動條件下的汽泡滑移速度如圖4所示。系統壓力為0.2 MPa，質量流量為454.2 kg／（m2· s），入口過冷度為30.98℃，熱流密度為115.8 kW／m2。搖擺周期分別為8 s和16 s，最大搖擺角度為10°和15°。為了更加清楚地研究搖擺對汽泡滑移的影響，圖中所給出的汽泡滑移速度為平均之后的值，每50幀圖片所得出的速度取一次平均，即圖中給出的是10 ms內所有汽泡滑移速度的平均值，后面對搖擺運動條件下的其他汽泡參數采用類似的處理方法。

圖4 搖擺運動下汽泡滑移速度的變化Fig.4 Variation of the bubble sliding velocity under rolling motion

由圖4可見，汽泡滑移速度的波動周期和搖擺運動的周期較為接近，汽泡滑移速度幾乎隨搖擺角度反向變化，汽泡滑移速度在搖擺角度為最大正角度時達到最小值，在搖擺角度為最大負角度時達到最大值。搖擺運動條件下汽泡速度在豎直狀態速度的上下波動，但是汽泡速度的波動并不嚴格按照簡諧規律進行。圖中同時給出了豎直靜止狀態下的汽泡滑移速度，在大部分時間內，汽泡滑移速度在搖擺運動下要比豎直靜止狀態下的汽泡速度大一些。

2.2 搖擺運動下汽泡速度波動影響因素

搖擺運動所引入的非慣性加速度會改變汽泡所處的外力場，直接改變汽泡所受到的浮力，造成汽泡滑移速度的周期性變化。搖擺運動也可能會改變汽泡周圍液體的流動，通過曳力的作用間接改變汽泡的滑移速度。在搖擺運動的過程中，汽泡的有效直徑有可能會發生變化，由此同時改變汽泡所受到的曳力以及浮力的大小，進而對汽泡的滑移產生影響。下面將從這幾個方面對搖擺運動條件下的汽泡滑移進行分析。

將汽泡所受浮力分別沿流動方向和垂直于加熱壁面方向進行分解。如下所示：

式中：α為汽泡所在位置與搖擺軸心連線和搖擺臺之間的夾角，LR為搖擺軸心與汽泡所在位置間的距離，ρl為液體密度，Vb為汽泡體積，g為重力加速度，vb為汽泡速度。在這里應該當指出，在汽泡上升的過程中，LR與α的大小會發生變化，上式并未對此進行嚴格的考慮，但是由于本實驗中拍攝窗口較小，汽泡所在的位置相對比較固定，所以采用上式并不會產生太大的誤差。

從浮力角度來講，汽泡的滑移速度將主要受到y方向浮力的影響，在汽泡直徑不發生變化的情況下，搖擺運動條件下浮力沿y方向的分量與豎直條件下汽泡所受浮力的比值變化如圖5示，其中Fy為豎直靜止狀態下同樣大小汽泡所受的浮力。

從圖5中可以看出搖擺運動條件下汽泡所受的浮力的要小于豎直狀態，浮力變化的幅度隨著搖擺最大角度的增大而增大，隨搖擺周期的增大而減小，汽泡所受的浮力的大小的變化幅度在5%以內。汽泡所受浮力變化的周期與搖擺周期有所不同，出現了復合波動，復合的頻率為搖擺運動頻率的二倍。由于汽泡的滑移速度與其所受到的浮力成正比，因此如果搖擺運動下汽泡的滑移速度主要受非慣性加速度影響，那么滑移速度的變化應該與此時浮力的變化趨勢相同。然而，對比圖4可以發現，汽泡的滑移速度受非慣性加速度影響較小，因此汽泡滑移速度的變化可以歸結為汽泡所受曳力的影響。

圖5 搖擺運動中汽泡所受浮力的變化Fig.5 Bubble buoyancy frces under rolling motion

搖擺運動過程中液體流動速度是否發生波動以及波動幅度的大小主要取決于驅動壓頭、流動阻力以及搖擺引入的附加作用之間的關系。當驅動壓頭比搖擺運動附加作用大很多時，搖擺運動基本不會引起流量波動，而當驅動壓頭與搖擺運動附加作用相當或者較小時，搖擺運動就會引入較為明顯的流量波動。本實驗裝置中，液體主流流速在搖擺運動條件和豎直靜止狀態下的數值如圖6所示。

同樣對比圖6與圖4中數據的變化趨勢與搖擺角度之間的關系，可以得出以下結論，搖擺所引起的液體流動速度變化與汽泡速度變化的趨勢基本相反，也就是說，在搖擺運動條件下液體流動速度的增加反而引起汽泡速度的減小。圖中所示的液體速度波動幅度較小，最大相對波動幅度不到2%，而汽泡滑移速度波動幅度在60%左右。因此搖擺運動所致的流體流量波動并不是影響汽泡滑移速度波動的主要因素。

圖6 搖擺運動下局部流速的變化Fig.6 Variation of the local fluid velocity under rolling motion

下面對搖擺運動過程中的汽泡等效直徑進行考察，圖7給出了搖擺運動條件下的汽泡等效直徑隨搖擺角度變化的數據。汽泡等效直徑隨搖擺運動產生了周期性變化，波動周期基本與搖擺運動周期保持一致。搖擺運動條件下汽泡等效直徑的平均值要比豎直狀態大一些，汽泡等效直徑在搖擺角度最小時，即加熱面向下最大負角度時達到最大值，汽泡等效直徑在搖擺角度最大時，即加熱面向上最大正角度時達到最小值。對比圖4可以看出，汽泡滑移速度的變化與汽泡直徑的變化基本保持一致。由于汽泡較小時，汽泡的滑移速度與汽泡的直徑成正比，因此可以得出結論，在窄通道過冷沸騰搖擺運動條件下，汽泡等效直徑的變化是影響汽泡滑移速度的重要因素。

圖7 搖擺運動下汽泡直徑的變化Fig.7 Variation of bubble diameter under rolling motion

影響搖擺運動下汽泡直徑變化的因素很多，對于搖擺這樣的非穩態系統更是如此。由于本實驗條件下入口過冷度以及表面熱流密度基本保持不變，因此影響搖擺運動下汽泡直徑波動的主要因素有質量流量、壁面過熱度以及當地局部壓力的變化。如前所述，回路采用強迫循環，因此回路流量變化不大。與此同時搖擺運動下的表面過熱度以及入口壓力都發生了周期性變化，壁面過熱度的波動幅度也比較小（小于2℃），而入口壓力的變化幅度可以達到10%左右，如圖8所示。系統壓力的變化造成了壁面汽泡生長情況的不同，隨著壓力的升高汽泡生長速度有所降低，汽泡直徑減小，即通道內汽泡直徑的變化趨勢與入口壓力的變化趨勢相反。另一方面，搖擺運動過程中加熱壁面向上時，在垂直于加熱面方向浮力分量的作用下汽泡底部的接觸圓直徑相比于加熱面向下時要小一些，根據微液層蒸發理論此時的微液層蒸發量較小，由此汽泡等效直徑在加熱面向上時較小，反之亦然。根據以上分析，搖擺運動下汽泡直徑的變化主要受局部壓力的波動以及加熱壁面朝向不同所引起接觸圓直徑的變化的影響。有關各個參數的具體影響還需進一步研究。

圖8 搖擺運動下入口壓力的變化Fig.8 Variation of the inlet pressure under rolling motion

綜合以上分析，搖擺運動條件下的汽泡滑移速度產生了周期性波動，汽泡所在外力場、汽泡周圍流體的速度以及汽泡的等效直徑都發生了周期性變化，然而非慣性力場所導致的浮力變化和汽泡周圍流體速度的變化對汽泡滑移速度的影響不大，決定汽泡滑移速度變化的是汽泡等效直徑的變化。也就是說，搖擺運動改變了過冷沸騰窄通道的入口壓力以及汽泡底部微液層蒸發面的大小，進而使的汽泡等效直徑發生了周期性波動，由此間接對汽泡的滑移速度產生了影響。

4 結論

本文針對搖擺運動周期外力場作用下窄通道內的汽泡滑移進行了可視化實驗研究，分析實驗數據之后得到了以下主要結論：

1）搖擺運動下汽泡滑移速度產生了周期性波動，波動周期與搖擺運動周期基本一致。

2）搖擺運動過程中當地液體流速和汽泡所在力場都發生了周期性變化，然而這些并非影響搖擺運動下汽泡滑移速度波動的主要因素。

3）決定搖擺運動下汽泡滑移速度波動的主要因素是汽泡等效直徑的變化，搖擺運動所造成的入口壓力波動以及汽泡底部微液層蒸發面直徑的變化是造成汽泡等效直徑變化的主要原因。

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（責任編輯：陳峰）

Experimental study of bubble sliding in a narrow channel in a periodic force field

LI Shaodan，TAN Sichao，GAO Puzhen，XU Chao，HU Jian，ZHENG Qiang
（Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The purpose of this paper is to explore the mechanism of the boiling heat transfer and to improve the twophase flow model under ocean conditions.Bubble sliding in a narrow rectangular channel in a rolling motion was experimentally studied by using the high speed camera in this paper.The results show that the bubble sliding velocity was periodically changed with the rolling motion and the period of the variation was similar with that of the rolling motion.The effects of additional inertial acceleration on the buoyancy force and the variation of the flow rate caused by the rolling motion will not influence the fluctuation of the bubble sliding velocity in the periodic force field.The variation of the bubble size caused by the rolling motion is the key factor that determines the fluctuation of the bubble sliding velocity.

periodic force field；rolling motion；bubble sliding；narrow rectangular channel；flow boiling；ocean condition；bubble diameter

10.3969／j.issn.1006-7043.201301035

TL331；TK124

A

1006-7043（2014）08-1040-05

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.html

2013-01-19. 網絡出版時間：2014-06-27 15：24：45.

中央高校基本科研業務費專項基金資助項目（HEUCFZ1008）.

李少丹（1988-），男，博士研究生；譚思超（1979-），男，教授，博士生導師.

譚思超，E-mail：tansichao＠hrbeu.edu.cn.