窄通道內的汽泡核化以及滑移汽泡的影響

李少丹，譚思超，高璞珍，許 超，高 風

(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)

汽泡的核化是沸騰汽泡產生的根源，在持續熱量輸入的情況下，液體的溫度會不斷上升并超過飽和溫度，隨后發生相變而產生汽泡。汽泡核化密度及汽泡核化頻率的確定對沸騰換熱研究有重要意義，決定了通過相變所交換的熱量以及ONB點(沸騰起始點)的位置。汽泡的核化也是兩流體模型中界面參數中源項的重要組成部分，對界面輸運方程的求解起著至關重要的作用[1]。

為確定加熱表面上的核化點密度及其分布情況，眾多研究者對此展開了大量研究[2-5]。確定核化點密度的研究方法主要有兩種：一種是首先確定影響核化點密度的主要因素，隨后結合這些影響因素總結出核化密度的經驗關系式；第二種則是結合汽泡核化機理進行的，認為汽泡在壁面上的核化主要由有效核化點決定，通過確定有效核化點的范圍以及壁面的微觀結構便可求出核化密度的大小。窄通道過冷流動沸騰與池式沸騰汽泡核化有所不同，潘良明等[6]和李佳等[7]分析了窄通道內質量流速和熱流密度對汽泡核化的影響，發現在相同熱流密度條件下，質量流速對核化密度幾乎無影響，核化密度隨流道尺寸的減小而增大。

然而到目前為止，窄通道內的核化機理及其影響因素尚未完全確定。為了深入研究窄通道內的沸騰行為，本文擬通過實驗觀察不同壓力下過冷沸騰窄通道內核化點的分布情況，并對產生這種分布的主要原因進行分析，以確定汽泡滑移對汽泡核化點分布的影響。

1 實驗回路及高速攝影裝置

實驗在閉式回路中進行，以去離子水為實驗工質。實驗回路(圖1)主要由可視化實驗段、循環泵、預熱器、冷凝器、穩壓器、測量儀表以及附屬管道組成，系統壓力通過控制穩壓器內氮氣壓力實現，系統壓力分別取0.1 MPa和0.2 MPa。圖2示出高速攝影裝置的布置方式及實驗段橫截面示意圖。對實驗段的觀察拍攝使用FASTCAM SA5高速數字攝像機，其最高拍攝速度可達106幀/s，攝像機鏡頭采用Sigma微距鏡頭(焦距為105 mm，光圈為2.8)。攝像機固定在一個二維導軌上，可分別沿垂直于流道和垂直于加熱面的方向移動，實現拍攝位置的變化。兩個最大功率為150 W的光纖冷光光源同時安裝在導軌上隨攝像機同時移動，實驗中可通過調節光源功率以滿足高速拍攝的需求，通過調節光源的照射位置使拍攝到的圖片的對比度達到最大，以使圖像處理結果更加容易且更加準確。

圖1 實驗回路示意圖

圖2 高速攝影裝置及實驗段

在實驗過程中，設定攝影儀拍攝的采樣速度為5 000幀/s，系統壓力為0.1 MPa時圖像分辨率設置為576×360像素，對應實際拍攝面積約為30 mm×19 mm，系統壓力為0.2 MPa時圖像分辨率設置為512×360像素，對應實際拍攝面積約為11 mm×8 mm。實驗段為單面電加熱的窄縫通道，窄縫高度為2 mm。實驗段主要由壓緊塊、下承壓體、石英玻璃可視窗、不銹鋼電加熱板、背面冷卻回路以及密封裝置構成，由電加熱板上的電極通過低壓大電流直流電源在背面實現單面加熱。

2 實驗結果和討論

2.1 汽泡的滑移原因及其分析

一般而言，欲確定壁面產生的汽泡是否脫離加熱壁面需從平行于加熱壁面的方向進行觀察。本實驗由于通道窄邊距離很小，從平行于加熱壁面的方向即側面對氣泡進行觀察不僅受到照明條件的限制，而且由于通道的寬高比(大于20)較大，側面拍攝會有很多汽泡相互重疊而增加識別難度，因此本實驗中汽泡圖像的采集從垂直于加熱壁面的方向即正面進行，如圖2所示。盡管不能從側面直接觀察汽泡是否脫離加熱壁面，但如果汽泡未脫離加熱壁面，則可從正面觀察到汽泡底部與加熱壁面的接觸圓，如圖3所示。文獻[8]指出：由于熱邊界層溫度梯度導致折射率的變化所引起的幻影效應的存在，該面積并不能反映汽泡實際的接觸圓面積的大小，因此本文并未對其進行精確測量，但可根據其有無來判斷汽泡是否脫離加熱壁面。在本實驗范圍內，大多數汽泡底部均有與加熱壁面相互接觸而形成的接觸圓，因此可認為所觀察到的大多數汽泡均未發生浮升。

圖3 滑移汽泡的底部接觸圓

汽泡未脫離加熱壁面的主要原因如下：1) 對于較低壓力條件，汽泡在快速生長的過程中受到指向壁面方向的非穩態曳力(即生長力)的影響，生長力的大小與汽泡的生長速度呈正比[9]，根據Chen等[10]的實驗結果和分析，汽泡在較低的壓力下生長速度較快，受到的生長力更大些，因此在較大的生長力作用下汽泡難以脫離加熱壁面；2) 由于本實驗的流道較窄，在很短的時間內汽泡頂部就會接觸到非加熱壁面，即石英玻璃可視面，不滿足汽泡浮升所需的大空間條件；3) 即使汽泡直徑未能達到通道高度，與常規通道不同，較窄的流道壁面所產生的壁面潤滑力也會起到一定的作用，壁面潤滑力與汽泡表面和壁面的距離呈反比[11]，因此隨著汽泡的生長汽泡上表面逐漸靠近非加熱面，該力會逐漸增大從而阻止汽泡的浮升，使汽泡不能像在常規流道中那樣脫離加熱壁面。以上原因中第2和第3點是窄通道所獨有的特點，表明汽泡在窄通道內由于所處條件的不同，窄通道內汽泡特性將與常規通道內的完全不同。

2.2 不同壓力下的核化現象

固定系統壓力、質量流量與入口過冷度不變并增加熱流密度，加熱壁面上會逐漸出現核化點。為了研究汽泡核化的分布情況，結合數字圖像處理技術給出了多幀(共500幀)汽泡輪廓的疊加圖像(圖4)，圖中輪廓線即為汽泡的外輪廓。基于此圖可很方便地得到核化點的位置坐標信息，如圖5所示。從圖5可看出，在較低壓力條件下，核化點的數目較多且分布較均勻。汽泡核化出現后不斷生長，同時在生長過程中沿著壁面滑移，滑移生長一段時間后會發生冷凝并消失。大部分汽泡滑移的距離較短，汽泡的滑移距離與核化點之間的距離保持在同一數量級，有的甚至小于汽泡核化點之間的距離，上游產生的核化汽泡很少能經過下游核化點。此外所有核化點并非在同一時刻核化，這樣就在很大程度上(空間上和時間上)降低了不同核化點之間汽泡的作用幾率，因此不同核化點之間的汽泡的相互作用較少，上游滑移汽泡對下游核化點的影響也比較小。

圖4 多幀汽泡輪廓疊加圖像(p=0.1 MPa)

圖5 較低壓力下汽泡核化點位置坐標

系統壓力升高后，加熱壁面上的核化點主要集中在剛開始出現核化點的位置，較靠近實驗段的入口部分，下游的核化點數目則較少。圖6示出所拍攝位置處核化點的核化現象，在整個拍攝窗口內僅此1個核化點。與較低壓力下汽泡的類似，汽泡核化出現后會沿著壁面滑移并生長，但汽泡的生長速度相對較慢。汽泡在整個觀察窗內很少發生冷凝現象，汽泡生長后期直徑變化較小并滑移出觀察窗。汽泡的滑移距離相比較低壓力條件下的要大得多，會發生從上游而來的汽泡與下游核化產生的汽泡聚合的現象，同時也會出現上游汽泡滑移過下游核化點與之接觸的現象。

圖6 壓力升高后的核化點(p=0.2 MPa)

不同壓力條件下汽泡核化點分布形式的不同主要是由汽泡的滑移所導致的。在較低壓力條件下，由于汽泡的滑移距離較短，上游核化點產生的汽泡在未達到下游核化點位置處時就已冷凝并消失。核化點之間通過滑移汽泡而相互作用的情況較少，因此較低壓力下的流動沸騰與池式沸騰較為類似。盡管壁面過熱度和主流過冷度發生了變化，但加熱表面的核化應較為均勻。壓力升高后，與較低壓力下相同，下游壁面過熱度與流體溫度均高于上游，因此下游的核化密度也應高于上游的。然而由于汽泡在貼近壁面滑移的過程中很少發生冷凝，汽泡滑移距離較長，超過了壁面核化點之間的平均距離，在很大程度上增加了上游來的汽泡與下游核化點之間的作用頻率。上游核化點通過滑移汽泡與下游核化點之間發生作用，使下游核化點的汽化核心被滑移汽泡帶走，很難形成有效的汽化核心，只有內控空穴才有可能核化產生汽泡，因此下游核化密度并未相應增加。此外，汽泡滑移距離增加會使汽泡之間的相互作用幾率增加而導致汽泡的聚合，聚合形成的大汽泡在沿壁面滑移的過程中相對小汽泡而言與壁面之間的接觸面積更大，從而加大了對壁面核化點的影響，從另一方面降低了下游的核化密度。總之，窄通道內較低壓力條件下汽泡滑移距離較短，上游核化點基本不會影響下游核化點的核化，核化點分布比較均勻，然而在壓力升高后由于汽泡的滑移使核化點之間發生了相互作用，降低了下游核化點的數量。

2.3 汽泡滑移對核化頻率的影響

如前所述，壓力升高后窄通道內的滑移汽泡會對下游核化點產生一定的影響，圖7示出1個上游滑移汽泡經過核化點時的部分圖像。上游滑移汽泡未經過前，該核化點累積所產生的汽泡數量隨時間的變化規律如圖8a所示，圖8b示出了圖7中滑移汽泡經過時的核化汽泡數量的變化，從汽泡累計數量的變化可知汽泡的核化頻率的變化。從圖8a可看出，在上游滑移汽泡未經過前，盡管略有波動，核化點處產生汽泡的頻率整體而言是比較穩定的。圖7中4 ms時(即圖8b中62 ms處)滑移汽泡經過核化點，由于該滑移汽泡較大，其滑移速度也比該核化點處所產生的汽泡滑移速度大些，因此該滑移汽泡經過核化點后發生了一連串的汽泡聚合過程。在滑移汽泡經過核化點后的一段時間內該核化點處不再產生汽泡，不產生汽泡的時間約持續20 ms。在24 ms時(圖8b中84 ms處)核化點處重新產生汽泡，經一段時間后，核化點處產生汽泡的頻率很快恢復到滑移汽泡經過前的水平。此外從圖中可明顯看出，后面產生的核化汽泡直徑相比滑移汽泡到來之前均小些。

a——上游滑移汽泡經過核化點前；b——上游滑移汽泡經過核化點

根據Hsu[12]的汽泡核化模型，對于相同的壁面結構條件，汽泡核化密度主要由壁面過熱度、熱邊界層厚度以及液體的過冷度所決定。汽泡經過1個核化點后，主要會產生以下兩個后果：1) 汽泡滑移經過核化點時會增強壁面附近的擾流作用，降低核化點處的壁面溫度，導致核化頻率有所降低；2) 汽泡經過后導致的擾流增強會使熱邊界層厚度有所減小，因此有效核化半徑的范圍減小。根據以上分析，汽泡在經過壁面后會降低有效核化半徑的范圍，因此汽泡經過核化點后會出現核化點處不再產生核化汽泡的現象，一段時間后壁面過熱度以及熱邊界層會逐漸恢復，從而核化汽泡會重新出現。由于汽泡在核化點處所能達到的直徑比較有限，所需的熱量較少，因此汽泡的核化頻率會很快增加到剛開始的水平。

由于以上原因，出現了不同壓力條件下汽泡核化點分布完全不同的現象。在較低壓力條件下，上游核化點所產生的汽泡滑移距離較短，汽泡在未達到下游核化點前就已冷凝消失，滑移汽泡不會對下游核化點附近處的壁面過熱度和熱邊界層產生顯著的影響，因此較低壓力條件下核化點的分布較為均勻，同時核化點數目相比較低壓力條件多很多。然而在系統壓力升高后，汽泡的滑移距離較長且會影響到下游核化點處的壁面過熱度以及熱邊界層，降低了下游區域內的有效核化點的數量，從而汽泡的核化點大都集中在上游區域內。

3 結論

本文對窄通道內不同壓力下的汽泡滑移和核化現象進行了實驗研究，通過分析所得圖像數據得到以下結論。

1) 汽泡在窄通道內由于生長力和壁面潤滑力的作用很難脫離加熱壁面發生浮升現象，大多數汽泡脫離核化點后會繼續沿著加熱壁面進行滑移。

2) 在較低壓力條件下，汽泡的滑移距離較短且小于核化點之間的平均距離，上游核化點產生的汽泡很少會影響到下游核化點；與之相反，壓力升高后汽泡的滑移距離較長，上游核化點通過滑移汽泡會對下游核化點產生影響。

3) 較低壓力下的汽泡核化點較為均勻，而壓力升高之后的汽泡核化點主要集中在沸騰起始點附近，由于滑移汽泡的影響下游很少有核化點存在。

4) 滑移汽泡通過核化點后所帶來的擾流會改變核化點附近的壁面過熱度和熱邊界層厚度，從而暫時改變該核化點的核化頻率，經一段時間后核化頻率會逐漸恢復到原來的水平。

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