窄矩形通道內汽泡聚合行為研究

鄭 強，高璞珍，許 超，高 風，胡 健

(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)

窄矩形通道具備強化換熱的特性，能滿足小體積、高功率的要求，其中的流動換熱在工程中有較廣泛的應用[1-2]，例如美國的核動力艦船采用的均是板狀燃料組件設計。目前對于較高壓力下窄矩形通道內過冷沸騰過程中的汽泡行為研究還較少。在已有的研究中，多是關注單個汽泡的行為特征，例如生命周期、生長曲線和脫離直徑等，而對汽泡間相互作用的研究就更少。文獻[3]對低熱流密度孤立汽泡區域的滑移汽泡的聚合作用進行了可視化研究，指出滑移汽泡的聚合作用是一種積極的作用，有利于該區域附近換熱的提高。文獻[4]以戊烷和R-113為工質，人工造成3個核化點，研究了池式沸騰時的汽泡聚合現象。發現遠離加熱面的聚合對沸騰傳熱的影響很小；在壁面附近豎直汽泡的聚合可能會導致沸騰危機；在壁面附近水平汽泡的聚合會強化換熱，也可能引起沸騰危機。文獻[5]指出汽泡聚合特性的差異隨系統壓力的增加變得明顯。在較低壓力及熱流密度下，汽泡聚合后會被主流凝結；增加熱流密度，汽泡聚合后形成較大的汽團沿加熱壁面滑動。本文采用可視化實驗方法，對孤立汽泡區的過冷沸騰汽泡的聚合行為進行研究，豐富現有的結果，以得到一些定性的結論。

1 實驗裝置和方法

圖1 實驗回路示意圖

圖1為實驗回路示意圖。整個實驗回路為閉式循環結構，以純凈水為實驗工質，由泵驅動。工質在流經實驗段前，由預熱器加熱到一定溫度，使實驗段入口溫度滿足設定值。實驗段的加熱方式為單面電加熱。工質流出實驗段后進入冷凝器進行冷凝。在泵的下游管道上裝有穩壓器，與氮氣瓶連接，以此來使系統達到并穩定在設定壓力值。流量通過改變旁通閥的開度及主回路上閥的開度來共同調節。

圖2為實驗段結構。實驗段為矩形窄通道，尺寸為2 mm×40 mm×700 mm，其中加熱長度為550 mm。實驗段一側為加熱面，材料為不銹鋼，用直流電加熱，通過改變電流來調節熱流密度，另一側為觀察面，材料為石英玻璃，高速攝影儀透過石英玻璃拍攝汽泡行為。

圖2 實驗段結構

實驗中的流量、壓力、溫度等測量參數通過NI數據采集系統實時傳送到計算機，以備需要時進行數據處理。實驗中所用的主要測量儀表精度列于表1。

表1 測量儀表精度

實驗中所用的高速攝影儀型號為Photron FASTCAM SA5，其最高拍攝速度可達100萬幀/s，機身內存為32 G。實驗中所得到的圖形數據首先存儲在攝像機的內存中，隨后通過GB以太網傳輸并存儲在計算機硬盤上。在滿足對拍攝區域進行放大和合適對焦距離的前提下，高速攝影儀采用型號為SIGMA MACRO 105 mm/F2.8的鏡頭。

實驗開始前，先對水加熱十幾至幾十個小時，使溶解于水中的不凝性氣體逸出，通過上面的排氣閥排出，以減少不凝性氣體對實驗結果的影響。

2 實驗結果及分析

實驗中的相關參數為：實驗段入口處絕對壓力pin=0.55 MPa，入口溫度tin=124 ℃，入口過冷度Δtin=31 ℃，質量流速G=516 kg/(m2·s)，平均速度v=0.52 m/s。

高速攝影儀拍攝速度為5 000 幀/s，即每兩張圖像的時間間隔為0.2 ms。

2.1 汽泡聚合過程中形態變化

圖3示出3組不同的兩個汽泡聚合時的形態變化，圖中數字為時間，單位為ms。根據汽泡的形態變化將汽泡的聚合過程分為以下4個階段。1) 相互靠近階段：從相互靠近開始到兩個汽泡各自的相界面開始接觸；2) 汽泡融合階段：從兩個汽泡的相界面開始接觸并融合到汽泡首次成為凸面體；3) 汽泡調整階段：從融合結束開始，到汽泡的形態不斷調整并最終達到穩定；4) 汽泡穩定階段：汽泡調整完畢后繼續運動階段。其中較為重要的是汽泡的融合階段和調整階段。在聚合前，兩汽泡的速度達到穩定，大汽泡的上升速度較小汽泡的大，所以觀察到的汽泡聚合行為多是大汽泡從下方追趕上小汽泡。兩個汽泡的相界面接觸后也可能再次分開，未必就會融合在一起，這與相界面復雜的物理、化學性質以及兩汽泡的接觸角度相關。一般兩個汽泡接觸時越接近豎直方向越易融合在一起，越接近水平方向越不易融合在一起。汽泡融合后的調整階段可能持續較長的時間，開始階段的震蕩較劇烈，而后逐漸減弱，但要達到類似于單個汽泡聚合前的穩定狀態，則需要較長的時間。汽泡聚合前的尺寸越大，震蕩越劇烈。

2.2 汽泡聚合前后速度變化

圖4為與圖3中3組汽泡相對應的汽泡豎直方向的速度變化。由圖4可看出，汽泡聚合前的速度基本達到穩定(看上去曲線的起伏雖較大，但實際值相差很小)，聚合后的汽泡速度先增大再減小。如果時間足夠長，最后會達到穩定。徐建軍等[3]在其研究中指出，滑移汽泡間開始相互作用的影響距離約是其平均直徑的2倍，滑移汽泡間的聚合作用是一種積極的作用，共同使滑移汽泡的運動速度增加，有利于該區域附近換熱的提高，本文中未觀察到類似的汽泡運動現象。汽泡聚合前的速度基本保持穩定，兩汽泡均無明顯的加速過程。這可能是由于本文中拍攝的圖像窗口大小有限，圖中0時刻兩汽泡已相距較近，已處于相互作用的末期，加速不明顯；也可能是由于汽泡運動速度、主流速度、汽泡大小以及流道尺寸的影響造成的不同結果。兩個汽泡相互影響，是因為下部汽泡進入上部汽泡的尾流區受到尾流的作用。如果尾流的產生對原有流場參數的改變很小，那么兩個汽泡的相互作用就難以體現出來。

聚合前汽泡大小：a——Dup=0.35 mm，Ddown=0.50 mm；b——Dup=0.60 mm，Ddown=0.70 mm；c——Dup=0.43 mm，Ddown=0.55 mm

圖4 汽泡速度變化

2.3 汽泡聚合過程中角度變化

圖5示出與圖3中3組汽泡相對應的汽泡聚合過程中的角度變化。圖5中的0時刻指汽泡融合開始時刻，與圖4中的0時刻不同。在此，角度指聚合汽泡的長軸與豎直方向間的夾角，由聚合汽泡的長軸逆時針轉向豎直軸。此角度的變化體現出了一定的規律性，尤以圖5b所示的最為明顯：1) 開始時角度的分布很集中，有明顯的最大值和最小值，且最大值與最小值間的差值約在80°～90°之間，說明汽泡的顫動過程中連續兩次出現的長軸近乎垂直；2) 隨著時間的推移，角度分布逐漸分散，汽泡越來越接近圓形，調整緩慢趨于穩定。

圖5 汽泡角度變化

2.4 汽泡聚合過程中軸長變化

圖6 汽泡軸長變化

圖6示出圖3b中汽泡聚合過程中長軸和短軸的長度變化趨勢(圖3a和圖3c中的趨勢與圖3b中的基本相同)。圖中0時刻是汽泡融合開始時刻。在0時刻，兩個汽泡剛接觸，因此長軸最長；在此后的調整階段，顯然可看出長軸變長時短軸變短。汽泡的長軸會緩慢衰減，短軸的變化趨勢不太明顯。圖7是與圖6相對應的汽泡長軸變化擬合曲線。在圖6中的長軸變化曲線的各極大值附近選取3個點求取平均值，應用Origin進行數據擬合，得到的曲線方程為：

L=1.063-0.012exp(t/2.667)

可看出長軸軸長按指數規律衰減。

2.5 聚合誘導小汽泡的產生

當兩個汽泡聚合時，尤其當這兩個汽泡較大時，會在聚合過程中產生1個小汽泡。這在圖3b、c中均有顯示。圖3b中5.8 ms時刻，兩個汽泡融合后長軸達到最長，之后開始變短，此時由于慣性作用，在長軸的上頂端，有少量氣體與主體分離，分離的少量氣體吸收熱量，逐漸長大成1個小汽泡。圖3c中少量氣體與主體的分離發生在6.2 ms時刻，也是發生在長軸的頂端。分離后長大的小汽泡可能會再次被大汽泡吞并(圖3b)，也有可能脫離大汽泡的控制成為1個自由的汽泡(圖3c)。對實驗圖像的觀察發現，這種小汽泡的產生是一種較常見的現象，且每次只觀察到產生1個小汽泡。

圖7 汽泡長軸變化擬合曲線

3 結論

本文采用可視化的實驗方法，對過冷沸騰豎直窄矩形通道內的汽泡聚合現象進行了研究。將汽泡的聚合過程分成4個階段：靠近、融合、調整和穩定階段。并主要對汽泡聚合過程中的速度、角度、軸長變化以及誘導產生小汽泡的現象進行了研究，發現汽泡聚合過程中形態會以橢球形—圓形—橢球形交替的形式變化，同時得到以下結論：

1) 聚合汽泡的運動速度先增大再減小，然后漸漸趨于穩定；

2) 聚合汽泡前后兩次出現的橢球形的長軸近乎垂直，且隨著調整的進行，橢球形越來越不明顯，而越來越趨于球形，直至穩定階段；

3) 汽泡聚合過程中長軸變長時，短軸變短；長軸軸長總體上按指數規律衰減，短軸軸長總體上變化趨勢不明顯；

4) 兩個較大的汽泡聚合時，往往會在融合結束階段由上部汽泡甩出少量氣體。這些少量氣體被加熱，會長成1個小汽泡。新長成的小汽泡可能被大汽泡吞并聚合，也可能成為1個自由汽泡。在本實驗中，觀察到每次只會產生1個小汽泡。

參考文獻：

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