文丘里式氣泡發生器氣泡碎化特性研究

唐文偲，閻昌琪，孫立成，劉 衛，李 華

(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.中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800)

反應堆在運行過程中，堆中會產生氙、氪等中子吸收截面較大的裂變氣體，氙和氪是反應堆運行中最重要的中子毒物，會對反應堆運行過程中反應性的變化產生重要影響。所以，在熔鹽堆運行過程中必須要實時地、不斷地去除氙和其他裂變氣體，以保證熱中子的利用率和反應堆反應性的相對穩定[1]。熔鹽堆以熔融態氟化物作為燃料，產生的氙和氪隨燃料鹽在反應堆中循環。熔鹽堆區別于其他反應堆的一個很重要的特點就是能對產生的裂變氣體進行在線去除。在熔鹽堆除氣系統中氣泡發生器的作用是產生一定尺寸且大小均勻的氦氣氣泡。含量一定的氣泡進入燃料鹽回路后，通過質量轉移吸收裂變產生的氙和氪，含裂變產物氣體的氣泡，通過除氣回路中的分離器從熔鹽中分離，進而達到除去氙和氪的目的。

本文基于橡樹嶺國家實驗室(ORNL)氣泡發生器的設計，為小型釷基熔鹽研究堆設計新的氣泡發生器，同時在專門的水回路上對其碎化特性進行測試，通過高速攝像系統，對氣泡發生器氣泡的產生過程及影響因素進行研究。

1 實驗裝置

1.1 氣泡發生器結構設計

熔鹽堆除氣系統采用文丘里式氣泡發生器[2]。該系統要求氣泡發生器在設計流量下、截面含氣率為0.3%時能產生直徑為0.5 mm的氣泡，且氣泡在熔鹽中能均勻分布。由于文丘里式氣泡發生器安全性高、結構簡單且流動阻力小，最終被熔鹽堆除氣系統所采用。

本文在ORNL氣泡發生器結構基礎上，參考多種類型的氣泡發生器，設計一新的文丘里式氣泡發生器[3-7]，其基本結構如圖1所示。該氣泡發生器主要由收縮段、喉部、擴張段和注氣環腔4部分組成。流體在收縮段壓力降低，流速增加，在喉部流速達到最大值，最后經擴張段壓力逐漸恢復，流速減小。氣體在進入喉部前，先進入一注氣環腔，環腔通過15個均勻分布的1 mm小孔與喉部相通，氣體通過這些小孔進入到文丘里式氣泡發生器的喉部。

圖1 文丘里式氣泡發生器示意圖

1.2 實驗回路和實驗方法

圖2 實驗系統示意圖

實驗回路主要由供水系統、供氣系統、氣泡發生器、數據采集系統和高速攝像系統5部分組成，如圖2所示。實驗以空氣和水為工質，水箱中的水通過離心泵的驅動進入氣泡發生器入口，空氣經儲氣罐進入氣泡發生器喉部，在擴張段氣泡被高速流動的水的湍流作用碎化為大量微小氣泡，隨水流出氣泡發生器。最終，水經由回水管路返回水箱，氣泡則排入大氣。氣泡發生器豎直放置，在發生器出口穩定段的下游，安裝了一截面為方形的觀察段，可方便地觀察氣泡運動過程和測量氣泡的尺寸。在文丘里式氣泡發生器的入口、喉部和出口各有測壓點，入口測壓點距收縮段20 mm，出口測壓點距擴張段20 mm。由于可視化需要，文丘里式氣泡發生器材料為有機玻璃。

壓力采用精度為0.04級的壓力傳感器測量，氣液流量分別采用精度為1級和0.1級的質量流量計測量。流量和壓力信號均由NI數據采集系統采集，并記錄在計算機中；圖像信息由高速攝像系統采集。本實驗的液相和氣相體積流量分別為10～30 m3/h和0～0.12 m3/h。

高速攝像系統由高速攝像儀、光源和計算機組成。實驗采用Photron公司FASTCAM SA5型高速攝像儀。高速攝像儀拍攝幀速為5 000～10 000幀/s，曝光時間為0.05 ms。

碎化后氣泡的直徑可在氣泡發生器上部方管段進行拍攝和測量，先由高速攝像儀拍攝得到氣泡圖像，然后在同等拍攝條件下拍攝1張標尺照片，使用圖像分析軟件對標尺照片進行定標，給定標尺后即可較準確地測量出圖片區域內每個氣泡的直徑[8-9]。氣泡直徑測量過程如圖3所示。經實驗觀察，氣泡發生器產生的氣泡分布較為均勻，拍攝區域內的氣泡在不同時刻分布大體相同，為了消除因選取不同時刻的照片對氣泡直徑測量產生的影響，在每個工況下選取若干張連續氣泡照片進行分析，統計測量出該工況下產生氣泡的平均直徑。每個工況參數條件下的平均直徑，利用體積平均方法得到[2]。體積平均直徑dv定義如下：

(1)

式中，ni為氣泡直徑為di的氣泡個數。

圖3 氣泡直徑測量過程

2 實驗結果分析

2.1 氣泡發生器氣泡碎化過程

圖4為水流量Ql=20 m3/h、氣流量Qg=0.06 m3/h時氣泡發生器中氣泡的碎化過程。從喉部小孔出來的較大氣泡，在高速流體的作用下，在文丘里式氣泡發生器喉部的內壁形成連續的一串氣泡，一直延伸至擴張段入口。在擴張段，氣泡速度降低，其形狀劇烈地發生變化，并在高速流體強烈的紊流作用下，碎化成更小氣泡。隨后而來的較大氣泡不斷碎化，在擴張段形成了大量的微小氣泡，隨水流一起擴散至整個流道。

圖4 氣泡發生器中氣泡的碎化過程

圖5示出氣泡碎化的詳細過程。為方便觀察，實驗時用高速攝像儀集中拍攝1個注氣孔出來的氣體，跟蹤1個氣泡的變化過程。高速攝像儀的拍攝幀速為10 000幀/s，選取連續的50幀圖片，6張圖片中箭頭所指為每隔1 ms氣泡所處的位置和形狀。由圖5a可看出，大氣泡在進入擴張段前保持理想的球體形狀，在進入擴張段紊流區域后，氣泡外形變為橢圓形，在紊流力和表面張力的共同作用下進一步被擠壓成帽狀，直至最后撕裂破碎成小氣泡，碎化過程示意圖如圖5b所示。另外，氣泡的碎化集中在距離擴張段入口10 mm處，這個區域內的紊流強度最大，大氣泡進入這個區域后速度明顯降低，存在一滯止時間。氣泡碎化現象只有在管內紊流強度足夠高，且滯止時間大于碎化所需的時間時才能發生。管內水流速越大，紊流強度越高，氣泡越易碎化。

由氣泡發生器的工作原理可知，擴張段紊流的強度直接影響文丘里式氣泡發生器對氣泡的碎化效果。在文丘里式氣泡發生器結構尺寸一定時，流體在喉部的速度越大，它在擴張段的紊流強度也越大。圖6a為水流量Ql=15 m3/h、氣流量Qg=0.03 m3/h時擴張段的氣泡碎化情況；當喉部水流量Ql=20 m3/h、維持氣流量不變時，擴張段的氣泡碎化情況如圖6b所示。從圖中可看出，當喉部水流量增加時，文丘里式氣泡發生器對氣泡的碎化作用加強，產生的氣泡變小，氣泡數量增多。

圖5 氣泡的詳細碎化過程

a——Q1=15 m3/h；b——Q1=20 m3/h

2.2 碎化過程與雷諾數的關系

文丘里式氣泡發生器產生的氣泡是在擴張段流體強烈的紊流作用下形成的。由于氣泡的尺寸遠大于流道內的黏性底層的厚度，因而，氣泡的碎化不可能是由于流體的黏性剪切力造成的。研究表明，氣泡的尺寸是由紊流力和氣泡的表面張力共同決定的。

紊流慣性力Fi由單位體積的能量耗散率εv決定[10]：

(2)

其中：ρ為流體密度；d為氣泡直徑；gc為正比例常數。

表面張力Fs的表達式為：

Fs≈σd

(3)

式中，σ為表面張力系數。

定義紊流韋伯數We為：

(4)

無量綱韋伯數是控制氣泡尺寸的一關鍵參數。由式(4)可知氣泡直徑d為：

(5)

式(5)最先由Hinze[11]提出，為了確定氣泡的尺寸，須已知能量耗散率εv，Kress[10]的研究表明若擴張角不是很大，則εv可通過下式決定：

(6)

其中：μ為動力黏度；D為喉部直徑；Re為喉部的液相雷諾數。

將式(6)代入式(5)，可得：

d/D≈(gcσρD/μ)3/5/Re11/10

(7)

由式(7)可看出，紊流區域內產生的氣泡的直徑同Re-1.1呈正比關系。

圖7為不同氣流量下水流量Ql為15～25 m3/h時碎化后氣泡無量綱直徑(dv/D)與液相雷諾數的關系。由圖7可知，氣泡直徑隨雷諾數的增加而減小，說明雷諾數的增加增強了氣泡發生器的碎化效果，產生的氣泡更小。另外，在同一水流量下，氣泡直徑隨氣流量的增大而增大。對不同工況下的實驗數據進行擬合，得到擬合曲線及其公式，擬合公式中雷諾數的指數為1.3，與理論指數1.1較為接近。

圖7 氣泡直徑隨雷諾數的變化

3 結論

1) 本文設計的氣泡發生器在水流量21 m3/h、氣流量0.06 m3/h、截面含氣率0.3%時，產生的氣泡平均直徑為0.5 mm左右，滿足設計要求。

2) 氣泡的碎化發生在文丘里式氣泡發生器的擴張段，且主要集中在一固定區域，氣泡在此區域內由于紊流的作用，發生劇烈變形，最終破裂成更多的小氣泡。

3) 實驗得出的液相雷諾數與氣泡無量綱直徑(dv/D)的關系能很好地反映出碎化過程與雷諾數的關系，但實驗數據的擬合公式與理論公式相比仍存在一定的誤差。

參考文獻：

[1] ROBERTSON R C, SMITH O L. Two-fluid molten-salt breeder reactor design study, ORNL-4528[R]. US: Atomic Energy Commission, 1968.

[2] GABBARD C H. Development of a Venturi type bubble generator for use in the molten-salt reactor xenon removal system, ORNL-TM-4122[R]. US: Atomic Energy Commission, 1972.

[3] 邵延海. 浮選柱氣泡發生器充氣性能及應用研究[D]. 長沙：中南大學，2004.

[4] 劉炯天，王永田. 自吸式微泡發生器充氣性能研究[J]. 中國礦業大學學報，1998，27(1)：27-30.

LIU Jiongtian, WANG Yongtian. Study on performance of self-absorbing microbubble generator[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 1998, 27(1): 27-30(in Chinese).

[5] 陳文義，肖建立. 氣泡發生器結構分析及設計[J]. 煤礦機械，2000(10)：1-2.

CHEN Wenyi, XIAO Jianli. The structure analysis and design of bubble generator[J]. Coal Mine Machinery, 2000(10): 1-2(in Chinese).

[6] 徐振華，趙紅衛，方為茂，等. 金屬微孔管制造微氣泡的研究[J]. 環境污染治理技術與設備，2006，7(9)：78-82.

XU Zhenhua, ZHAO Hongwei, FANG Weimao, et al. Research on microbubbles generation by metal microporous tube[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control, 2006, 7(9): 78-82(in Chinese).

[7] SADATOMI M, KAWAHARA A, KANO K, et al. Performance of a new micro-bubble generator with a spherical body in a flowing water tube[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2005, 29(5): 615-623.

[8] 畫像解析編輯委員會. 畫像解析[M]. 東京：東京大學出版會，1991.

[9] BILLET M L. Cavitation nuclei measurement with an optical system[J]. J Fluids Eng ASME, 1986, 108: 366-372.

[10] KRESS T S. Mass transfer between small bubbles and liquids in cocurrent turbulent pipeline flow, ORNL-TM-3718[R]. US: Atomic Energy Commission, 1972.

[11] HINZE J O. Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitting in dispersion processes[J]. AIChE Journal, 1955, 1(3): 289-295.