單氣泡破裂產生膜液滴空間分布實驗研究

馬 超，薄涵亮

(1.中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041；2.清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084)

單氣泡破裂產生膜液滴空間分布實驗研究

馬 超1，薄涵亮2

(1.中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041；2.清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084)

本文研究了常溫、常壓條件下自由液面單氣泡破裂產生的膜液滴現象。利用染色液滴撞擊熟宣紙表面不洇散特性，加工宣紙紙筒進行稀釋墨水中氣泡破裂產生膜液滴空間分布實驗，并通過后續圖片掃描及編寫Matlab圖像處理程序獲得膜液滴在圓柱紙筒上的尺寸分布、空間分布信息。通過改變實驗條件，討論分析氣泡尺寸及紙筒半徑對膜液滴空間分布結果的影響，獲得了常溫、常壓條件下自由液面單氣泡破裂產生膜液滴空間分布規律。

蒸汽發生器；汽水分離；單氣泡破裂；膜液滴；空間分布實驗

在壓水堆蒸汽發生器二次側，由于氣泡破裂或機械打碎等原因產生大量細小的液滴，這些液滴被夾帶在蒸汽發生器二次側產生的飽和蒸汽中，如果這些小液滴進入反應堆二回路系統會造成極大的破壞，因此在蒸汽發生器上部設有汽水分離裝置，汽水分離裝置的作用至關重要。確定液滴來源信息是研究汽水分離機理工作的基礎。蒸汽發生器內液滴按照其產生機理主要可劃分為兩種：氣泡破裂產生的液滴及機械打碎產生的液滴。機械打碎包括氣流撕破液膜產生卷吸液滴、原液滴聚并或斷裂產生新液滴、液滴撞擊壁面或液膜產生飛濺液滴。氣泡破裂產生液滴按照方式不同，又可分為兩種液滴：噴射液滴與膜液滴[1]。由于氣泡破裂產生液滴是蒸汽發生器內液滴產生的主要方式之一[2]，研究氣泡破裂產生液滴的現象及機理，對汽水分離裝置研究設計具有重要意義。

由于氣泡破裂產生膜液滴現象幾何尺度小，時間間隔短，物理機理較為復雜，針對該現象的實驗研究始終占據主導地位。對研究汽水分離機理而言，初始速度與位置是膜液滴在流場中運動的重要初始參數。前人實驗主要通過建立高速攝像裝置研究該物理現象。由于遇到的實際工程問題不同及受限于高速攝像的二維限值，針對氣泡破裂產生膜液滴現象的實驗研究主要關注膜液滴的產生數量、尺寸，對膜液滴的初始速度、初始位置等信息關注度較低[3-7]。目前雖不能通過直接的方法測量氣泡破裂產生膜液滴的初始速度及位置，但可通過間接的方法在靠近氣泡附近收集膜液滴產生并飛行較短距離后的空間分布信息。

在MgO涂層法基礎上[8-9]，本文利用熟宣紙加工的紙筒測量膜液滴的空間分布。

1 實驗簡介

氣泡破裂產生膜液滴空間分布的實驗裝置示意圖如圖1所示。應用氣泡發生裝置，包括空氣泵、針閥、質量流量計、噴嘴等，在水槽底部形成氣泡。由前人理論分析可知，膜液滴產生現象主要同氣泡露出的液帽部分有關，因此水槽中液面高度設置為僅高于噴嘴5 mm，使得氣泡在產生、長大、破裂過程中均不脫離噴嘴，以保證氣泡對中性。將實驗臺架設置為對中支架，夾持制備好的宣紙紙筒。調節針閥，控制穩定的氣體流量，產生的氣泡在液面處破裂產生膜液滴，紙筒測量記錄膜液滴空間分布的信息。實驗中測量氣泡破裂產生膜液滴在紙筒上的空間分布。紙筒測量結束后，從夾持裝置中取下展平，利用掃描儀器將紙面信息掃描成圖片，使用Matlab圖像處理程序進行進一步分析處理，通過運用邊緣檢測、連通域分析、特征識別等函數，得到掃描圖片中的膜液滴數量、直徑、空間位置等信息。

圖1 氣泡破裂產生膜液滴空間分布的實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of space distribution experiment device of film drops produced by bubble bursting

染色液滴選擇稀釋的水性墨水，墨與水體積比為5∶100，該比例混合既可保證染色混合流體密度接近于純水，且紙面著墨視覺效果良好以便后續實驗數據掃描處理。通過實驗測量，得到該混合染色液體的物性參數為：密度ρ=960 kg/m3，黏性系數η=4.68×10-3Pa·s，表面張力系數σ=54.5 mN/m，染色液滴同宣紙之間靜態接觸角θ=131°。墨水中炭黑顆粒直徑在20～40 nm之間[10]，實驗中氣泡曲率半徑大于20 mm，液膜厚度為10 μm以上，因此認為墨水中微小炭黑顆粒對膜液滴產生方式無影響。

實驗中紙筒夾持支架加工精度為9級，對中誤差范圍為±0.38 mm。該實驗方法測量精度主要受后處理過程中圖像掃描設備分辨率限制。實驗中掃描儀分辨率為400像素/英寸(1英寸=2.54 cm)，圖片中像素尺寸為64 μm，根據膜液滴撞擊壁面形成最大鋪展直徑關系式[11]，由圖片顯示尺寸換算成膜液滴原始尺寸。該實驗方法在現有掃描設備精度條件下能夠測量的最小膜液滴直徑為34 μm。

2 實驗結果與分析

根據Toba[12]的氣泡浮動與破裂理論和實驗結果，浮動氣泡液帽為軸對稱結構，因此推測破裂點周向方位角位置符合等概率均勻分布。此處應用同一紙筒(紙筒半徑Rp=60 mm)收集相同大小氣泡(氣泡曲率半徑R=28.4 mm)多次破裂產生膜液滴的周向角度分布情況，如圖2所示。由圖2可見，隨著氣泡數量的增加，紙筒表面周向分布直方圖逐漸趨于平均，證明破裂點周向方位角位置等概率分布。

雖然大量氣泡破裂情況下周向角度符合軸對稱規律，但單個氣泡破裂過程中破裂點產生的隨機性較大，使得在紙筒上膜液滴周向分布峰值角度均會不同。為便于對比分析單氣泡破裂產生膜液滴空間分布統計規律，根據氣泡液帽軸對稱性，假設實驗中氣泡破裂點周向方位角固定，對紙筒表面膜液滴的周向角度根據360°周期進行對中處理，將分布曲線峰值(或直方圖峰值)調整至150°～180°區間。

雖然氣泡液帽部分是單點破裂，但由于破裂點軸向相對位置不固定，每次破裂產生膜液滴的空間分布都是變化的，因此只有通過統計同一尺寸氣泡多次破裂結果來考察膜液滴的空間分布規律。實驗中變化工況，考察氣泡大小及紙筒半徑對膜液滴分布的影響。每個工況相應地記錄20次氣泡重復破裂情況，同一曲率半徑(R=22.9 mm)下氣泡多次破裂產生膜液滴在不同半徑(分別為30、40、50、60 mm)紙筒上的空間分布譜如圖3所示。

圖2 多氣泡破裂產生膜液滴周向分布直方圖Fig.2 Angle distribution histogram of film drops produced by multi-bubble bursting

紙筒半徑：a——30 mm；b——40 mm；c——50 mm；d——60 mm

將該組實驗數據繪制成膜液滴尺寸分布方框圖，如圖4所示。由圖4可見，隨著紙筒半徑的增大，膜液滴平均直徑逐漸變小，尺寸分布范圍逐漸縮小，方框圖形狀上寬下窄，平均值高于中間值，表明紙筒上撞擊的小尺寸膜液滴份額較多，大尺寸膜液滴份額較少。將實驗數據畫成周向角度分布曲線，如圖5所示，分區統計間隔為30°。由圖5可見，各曲線變化趨勢均是中間角度區域高、邊緣角度區域低。隨著紙筒半徑的增大，周向分布曲線峰值增大，曲線趨勢由平緩逐漸變得陡峭，表明膜液滴由周向均勻分布逐漸向中間方位角區域集中。將實驗數據畫成軸向高度分布曲線，如圖6所示，分區統計間隔為10 mm。由圖6可見，各曲線變化趨勢均是紙筒底部區域高、頂部區域低，隨著紙筒半徑的增大，軸向膜液滴的最大高度逐漸變大，軸向分布曲線峰值降低，曲線趨勢由陡峭逐漸變得平緩，表明膜液滴由集中在紙筒底部區域逐漸向紙筒頂部區域擴散。

圖4 紙筒半徑對膜液滴尺寸分布的影響Fig.4 Effect of paper cylinder radius on size distribution of film drops

圖5 紙筒半徑對膜液滴周向角度分布的影響Fig.5 Effect of paper cylinder radius on angle distribution of film drops

圖6 紙筒半徑對膜液滴軸向高度分布的影響Fig.6 Effect of paper cylinder radius on height distribution of film drops

結合高速攝像實驗[3,13]分析以上尺寸、空間分布的結果。由于膜液滴飛行速度及方向由產生時刻射流所處球面方位角決定：中間角度膜液滴產生初始時刻沿液帽切向向上飛行，隨著紙筒半徑增大，撞擊高度逐漸增大；邊緣角度膜液滴產生初始時刻沿著液帽切向向下飛行，隨著紙筒半徑增加，撞擊高度逐漸降低，最終撞擊水面消失。在真實情況下，由于液膜厚度受到重力影響，氣泡球面液膜中間薄邊緣厚，邊緣方位角產生的膜液滴的直徑大于中間方位角產生的膜液滴的直徑，飛行過程中較大直徑液滴在重力的作用下在到達紙筒之前撞擊水面。綜上，隨著紙筒半徑的增大，逐漸形成膜液滴平均直徑變小、周向角度分布變窄、軸向高度分布變寬的空間圖譜。

同一半徑(Rp=50 mm)紙筒上不同大小氣泡(曲率半徑分別為21.5、22.9、24.6、28.4 mm)下多次破裂產生膜液滴的空間分布譜如圖7所示。

將該組實驗數據繪制成膜液滴尺寸分布方框圖，如圖8所示。由圖8可見，方框圖形狀上寬下窄，平均值高于中間值，表明紙筒上撞擊的小尺寸膜液滴份額較多，大尺寸膜液滴份額較少。隨著氣泡曲率半徑的增加，膜液滴平均直徑逐漸增大，膜液滴尺寸分布范圍逐漸變大。將實驗數據繪制成周向角度分布曲線，如圖9所示，分區統計間隔為30°。由圖9可見，各曲線變化趨勢均是中間角度區域高、邊緣角度區域低，隨著氣泡曲率半徑的增加，周向分布曲線峰值降低，曲線趨勢由陡峭逐漸變得平緩，表明膜液滴由集中在中間方位角區域逐漸向邊緣方位角擴散。將實驗數據繪制成軸向高度分布曲線，如圖10所示，分區統計間隔為10 mm。由圖10可見，各曲線變化趨勢均是紙筒底部區域高、頂部區域低，隨著氣泡曲率半徑的增加，軸向上膜液滴最大高度逐漸變大，軸向分布曲線峰值降低，曲線趨勢由陡峭逐漸變得平緩，表明膜液滴由集中在紙筒底部區域逐漸向頂部區域擴散。

曲率半徑：a——21.5 mm；b——22.9 mm；c——24.6 mm；d——28.4 mm

圖8 氣泡曲率半徑對膜液滴尺寸分布的影響Fig.8 Effect of different bubble radiion size distribution of film drops

結合此前高速攝像實驗結果，分析以上尺寸、空間分布結果。膜液滴尺寸主要同氣泡大小有關，隨氣泡曲率半徑增大，膜液滴平均直徑逐漸增大，膜液滴尺寸分布范圍逐漸變寬。與此同時，液帽所對應的球心仰角逐漸增大，不穩定射流頂端速度仰角逐漸增大，使得膜液滴初始最大速度仰角(膜液滴速度同水面交角)增大，因此在同一半徑紙筒表面撞擊高度逐漸增大，周向角度、軸向高度分布逐漸變寬。綜上，隨著氣泡曲率半徑增大，逐漸形成膜液滴平均直徑變大，周向角度分布變寬，軸向高度分布變寬的空間譜。

圖9 氣泡曲率半徑對膜液滴周向角度分布的影響Fig.9 Effect of bubble radius on angle distribution of film drops

圖10 氣泡曲率半徑對膜液滴軸向高度分布的影響Fig.10 Effect of bubble radius on height distribution of film drops

3 結束語

本文利用實驗方法研究了紙筒半徑及氣泡大小對膜液滴空間分布的影響，得到以下結論。隨紙筒半徑的增大，膜液滴尺寸分布范圍逐漸減小，膜液滴平均直徑減小，中間角度區域膜液滴份額提高，邊緣角度區域膜液滴份額降低，紙筒底部區域膜液滴份額降低，頂部區域膜液滴份額提高。隨氣泡曲率半徑的增大，膜液滴尺寸分布范圍逐漸增大，膜液滴平均直徑增大，中間角度區域膜液滴份額降低，邊緣角度區域膜液滴份額提高，紙筒底部區域膜液滴份額降低，頂部區域膜液滴份額提高。

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Experimental Research on Space-distribution of Film Drops Produced by Single Bubble Bursting

MA Chao1, BO Han-liang2

(1.ScienceandTechnologyonReactorSystemDesignTechnologyLaboratory,NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu610041,China;2.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

The phenomenon of the film drops produced by the single bubble bursting at a free water surface was researched. The rice paper cylinder, which was made under special technique process and did not soak the ink at the surface, was used to conduct the space distribution experiment of the film drops produced by bubble bursting in the ink water. The size and space distributions of film drops on the different radius cylinders were obtained by scanning the picture and using the image processing code programmed in Matlab. With experiment conditions changing, the impact of the bubble size and the radius of the rice paper cylinder on space distributions of film drops was discussed. The rule of the space distribution of film drops produced by single bubble bursting at a free water surface was obtained under the normal temperature and pressure condition.

steam generator; steam water separation; single bubble bursting; film drops; space distribution experiment

2014-06-27;

2015-02-01

馬 超(1987—)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，博士，核科學與技術專業

TL333

A

1000-6931(2015)10-1766-06

10.7538/yzk.2015.49.10.1766