搖擺條件下矩形窄縫通道內汽泡脫離直徑實驗研究

謝添舟，陳炳德，閆 曉，徐建軍，黃彥平，肖澤軍

(中國核動力研究設計院 中核核反應堆熱工水力技術重點實驗室，四川 成都 610041)

由于矩形窄縫通道具有強化換熱特性[1]，近年來在工程技術中得到了廣泛應用。在沸騰傳熱機理模型中，汽泡脫離直徑及預測模型作為非常重要的參數，得到越來越多學者的關注[2-3]。當矩形窄縫通道整體運行于海洋條件時，會存在典型搖擺運動，此時，由于非勻速運動產生的附加外力場的影響，通道內的沸騰傳熱特性會發生顯著改變[4]，但搖擺運動下傳熱特性機理研究鮮有報道。因此，開展搖擺運動條件下汽泡脫離直徑的研究，對揭示搖擺條件下沸騰傳熱機理有重要作用。

目前國內外已有不少關于過冷沸騰汽泡脫離直徑的研究，但大部分都是在靜止條件下開展的，對搖擺運動影響的研究主要集中在壓降[5]、傳熱系數[6]、流型[7]等方面，針對汽泡脫離直徑的研究較少。本工作采用可視化方法，對搖擺條件下矩形窄縫通道內汽泡脫離行為進行拍攝，探明搖擺運動對汽泡脫離直徑的影響，為搖擺條件下汽泡脫離直徑預測模型構建等提供數據支撐。

1 實驗裝置和數據處理

1.1 實驗裝置

實驗回路系統如圖1所示，主要由往復泵、預熱器、實驗段、換熱器、相關閥門及測量儀表組成。輔助系統包括二次側冷卻水系統、實驗段直流電加熱系統、預熱器交流電加熱系統及工質補給系統。實驗段及部分裝置安放在六自由度運動臺上，運動臺以某一搖擺振幅和頻率擺動，搖擺運動按近似正弦規律變化，即：

θ(t)=θmsin(2πft)

(1)

(2)

(3)

式中：θ(t)為瞬時搖擺角位移；θm為最大搖擺角；ω為角速度；ε為角加速度；f為搖擺頻率；t為時間。

1.2 實驗本體

實驗本體為2.0 mm×40 mm×700 mm的可視化矩形窄縫通道。有效加熱段長度為530 mm，實驗段主要由承壓塊、石英玻璃、壓緊塊和密封結構等組成，如圖2所示。實驗段一側由石英玻璃和壓緊塊組成，在壓緊塊上開可視化窗口，另一側由電加熱組件和承壓塊等組成。矩形窄縫通道在石英玻璃中加工而成。

圖2 實驗本體截面圖

1.3 搖擺條件下可視化系統

實驗采用Phantom V9.0彩色高速攝像儀可視化觀察，鏡頭倍率1∶1.4，拍攝幀數2 000幀，有效像素576×576。拍攝過程中，采用先整體后局部的方法來拍攝，即先將微距鏡頭倍率調大，在較大范圍內觀察加熱面上是否出現汽泡核化現象，出現汽泡核化現象后確定核化點位置，再將微距倍率調整到合適的數值，使汽泡清晰且較大，以便于測量。

搖擺條件下，為解決高速攝像儀與六自由度運動臺的相對固定、高速攝像儀與實驗本體相對位置的精確調節，設計了1套高速攝像儀的固定裝置，如圖3所示。該裝置主要由固定支架、導軌系統、高速攝像儀固定系統組成。其中，固定支架通過8個螺栓與六自由度運動臺緊密固定，導軌可在二維方向上(實驗本體的前部方向和高度方向)移動，以實現高速攝像儀寬范圍、多方位移動。同時，導軌移動到指定位置后可鎖住。該裝置在搖擺運動條件下具有良好的穩定性。

圖3 搖擺條件下的可視化系統

1.4 實驗方法和工況

實驗時調節實驗本體下游的調節閥，使系統壓力在0.15 MPa左右，此時所有搖擺工況下的流量波動均在±1%以內。然后將質量流速調至預定工況，通過調節預熱器功率達到一定入口溫度，再改變本體熱流密度以得到穩定的核化點。待熱工工況穩定后，啟動六自由度運動臺至預定搖擺工況，穩定后對核化點進行連續拍攝，重復上述過程以研究不同質量流速下搖擺運動對汽泡脫離直徑的影響。

由于質量流速會顯著影響汽泡脫離直徑[2]，因此本工作中僅研究不同質量流速下搖擺運動的影響。熱工工況列于表1。其中，p為系統壓力，Δtsub為入口過冷度，G為工質質量流速，zd為加熱段起始點與核化點之間的距離。熱工參數穩定后，相應的搖擺運動參數列于表2。

表1 熱工工況

1.5 數據處理

如何通過汽泡圖像數據獲得定量的汽泡尺寸，是可視化實驗研究中所面臨的難題之一。本工作的處理方法如下。

在高速攝像儀拍攝完1個工況后，保持高速攝像儀鏡頭的放大倍率不變，然后拍攝標尺，得到標尺的清晰圖像，如圖4所示。

表2 搖擺運動參數

圖4 汽泡(a)和標尺圖像(b)

將圖4b中的標尺圖像讀入Phantom Camera Control軟件，利用軟件中的測量功能，將拍攝圖片的有效像素與真實物理尺寸相對應，再將拍攝得到的真實汽泡(圖4a)導入后處理軟件，即可得到汽泡在x和y軸方向的直徑Dx和Dy。假定汽泡的兩個短軸軸長相等，則可按照等效體積法計算出汽泡的等效直徑D[8]為：

(4)

2 實驗結果及分析

圖5示出搖擺條件下典型汽泡生長及脫離的圖像。從圖5可看到汽泡從生長到脫離的整個過程，標記著“脫離”的圖片為汽泡即將脫離核化點的時刻，該時刻的汽泡直徑為汽泡脫離直徑。通過圖像后處理可獲得汽泡在各時刻的直徑，進而得到汽泡生長曲線。在本實驗參數范圍內，汽泡脫離后均沿著壁面滑移，沒有立刻浮升脫離壁面的汽泡。汽泡脫離的判定方法為：以初始汽泡中心為原點，當汽泡中心開始不斷遠離原點時，汽泡中心剛開始脫離原點的一幀為汽泡脫離時刻。依據上述準則，本次實驗共獲取有效數據點54個。

p=0.15 MPa，Δtsub=40 ℃，G=300 kg/(m2·s)，熱流密度q=85 kW/m2，搖擺工況為R3

2.1 搖擺運動對汽泡生長的影響

圖6示出不同流量時搖擺運動對同一周期內汽泡生長和脫離的影響。從圖6可看出，在汽泡生長至脫離整個過程中，隨著時間的增長，氣泡直徑逐漸增大，且在初始階段，汽泡生長速率較快，但由于搖擺運動引起的局部流場波動，汽泡生長過程會變得不穩定，這種情況在G=300 kg/(m2·s)時更為明顯，如圖6a所示。對比圖6a和b可發現：G=300 kg/(m2·s)時，汽泡生長時間為1 000～2 500 ms，汽泡脫離直徑在0.14 mm左右；G=700 kg/(m2·s)時，汽泡生長時間為150～350 ms，汽泡脫離直徑在0.07 mm左右。這表明隨著質量流速的增大，汽泡生長時間變短，汽泡脫離直徑變小，與文獻[2-3]中靜止時觀測到的結果一致。從圖6a可看出，G=300 kg/(m2·s)時，汽泡在同一個運動周期不同時刻脫離，汽泡脫離直徑會發生明顯改變，但與脫離時刻角位移無明顯一一對應關系。而如圖6b所示，G=700 kg/(m2·s)時，汽泡脫離直徑改變量要小得多。總地來說，質量流速越小，搖擺運動對汽泡生長速率和脫離直徑的影響越大。

a——G=300 kg/(m2·s)；b——G=700 kg/(m2·s)

2.2 搖擺運動對汽泡脫離直徑的影響

為進一步研究搖擺角位移對汽泡脫離直徑的影響，給出不同質量流速下所有數據點中汽泡脫離直徑與其脫離時刻對應角位移的關系，結果示于圖7。如圖7所示：當G=300 kg/(m2·s)時，汽泡脫離直徑平均值為0.144 mm，95%的數據在±20%范圍以內；G=700 kg/(m2·s)時，汽泡脫離直徑平均值為0.071 mm，95%的數據在±10%范圍以內。這表明搖擺運動時汽泡脫離直徑會在一定范圍內波動，且低質量流速時這種波動尤為強烈。這可能是由于低質量流速時汽泡脫離直徑較大，因此搖擺運動產生的周期性的附加力幅值更大，同時局部流場波動的影響也更為劇烈，這兩方面的耦合作用使汽泡脫離直徑波動變大。通過對數據分段線性擬合可發現，當搖擺角度趨于0°時，汽泡脫離直徑有最小的趨勢，但質量流速越大，這種趨勢越不明顯。這可能是由于搖擺角度趨于0°時，流動方向上的浮力分量最大，汽泡更易脫離，但質量流速較大時，汽泡平均直徑變小，浮力所占比重也相應變小，因此浮力變化對汽泡脫離直徑的影響會減弱。

a——G=300 kg/(m2·s)；b——G=700 kg/(m2·s)

3 結論

本工作借助高速攝像技術，通過在六自由度運動臺上開展的過冷沸騰可視化實驗，研究了搖擺運動對汽泡脫離直徑的影響。研究發現，由于搖擺運動引起的局部流場波動，汽泡生長過程變得不穩定，且汽泡脫離直徑在一定范圍內波動，這種效應會隨質量流速的增大而減弱。線性擬合發現，搖擺角位移為0°時汽泡脫離直徑有最小的趨勢。

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