蒸汽凝結過程聲壓波動信號實驗研究

唐繼國，閻昌琪，孫立成，李亞，王開元

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蒸汽凝結過程聲壓波動信號實驗研究

唐繼國1，閻昌琪1，孫立成2，李亞1，王開元1

(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；2四川大學水利水電學院，水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610207）

利用高速攝像儀和水聲換能器研究蒸汽凝結時的聲壓波動信號和凝結區(qū)域的轉變。結果表明，隨過冷度和蒸汽流量升高分別出現(xiàn)3個不同的凝結區(qū)域——體積波動區(qū)、過渡區(qū)和毛細波區(qū)。此外，觀察到兩種分別對應氣泡分裂和破碎的聲壓波動波形。聲壓波動信號的峰度存在階躍變化，且階躍處與凝結區(qū)域轉變的閾值接近。幅度譜的低頻區(qū)域存在頻率在150～300 Hz的峰值，其可能是由蒸汽體積周期性變化引入。在過渡區(qū)和毛細波區(qū)發(fā)現(xiàn)頻率高于7000 Hz的峰值，其可能是由氣泡突然破碎引入的局部壓力高頻振蕩造成的。蒸汽氣泡破碎頻率隨過冷度和蒸汽流量增加而增加，且與幅度譜中首峰頻率接近，誤差在±20%以內(nèi)。

凝結；氣泡破裂；聲壓波動信號；氣液兩相流；傳熱

引 言

由于極高的傳熱和傳質(zhì)能力，直接接觸凝結(direct contact condensation, DCC)現(xiàn)象在化工、核能和航空航天等諸多領域都有極其重要的應用，如汽水混合加熱器、蒸汽噴射泵以及抑壓式安全殼中用于降低殼內(nèi)壓力的抑壓水池等。凝結狀態(tài)和壓力波動的研究對于應用直接接觸凝結現(xiàn)象的裝置和設備的優(yōu)化設計以及安全運行等有著重要作用。

Ju等[1]利用全息干涉儀和高速攝像測量了凝結過程中氣泡周圍的傳熱系數(shù)。Youn等[2]研究了低蒸汽流速下的DCC現(xiàn)象。而Clerx等[3]和Xu等[4]則對流動條件下的DCC進行了研究。武心壯等[5]和Qiu等[6-7]分別分析了亞聲速和聲速下DCC過程中的壓力特性。Cho等[8]研究了多孔蒸汽注射下的DCC現(xiàn)象，并分析了孔徑和孔間距等對壓力波動的影響。Takase等[9]通過數(shù)值分析的方法研究了抑壓水池中蒸汽凝結的特性。Gulawani等[10]用CFX中的Thermal Ohase Change模型研究了亞聲速和聲速下的DCC現(xiàn)象。Chan等[11]、Lee等[12]、Elperin等[13]以及Petrovic[14]根據(jù)實驗結果和理論分析提出了二維的DCC區(qū)譜圖。而Petrovic等[15]隨后以蒸汽質(zhì)量流速、水溫以及管徑建立了三維的DCC分區(qū)譜圖。Ueno等[16-17]利用過冷水中蒸汽的凝結過程模擬過冷沸騰時過冷液體與氣泡間的相互作用，以此來簡化對于一種特殊的沸騰現(xiàn)象，氣泡微細化沸騰（microbubble emission boiling, MEB）形成機理的分析。

由于蒸汽氣泡的生長、凝結、分裂以及破碎等行為，DCC過程中聲信號的產(chǎn)生是不可避免的。盡管目前國內(nèi)外學者對DCC進行了大量的研究，但是DCC發(fā)生時的聲信號特性以及其應用卻少有報道。水聲換能器（水聽器）由于其突出的水下信號檢測能力而被廣泛應用于多相流系統(tǒng)聲信號的研究中[18-20]。因此，本文利用水聲換能器采集不同工況下蒸汽氣泡凝結時的聲壓波動信號，并對其進行時域和頻域特性分析，以研究蒸汽凝結時的聲壓波動特性以及凝結區(qū)域轉變。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。蒸汽由電加熱鍋爐產(chǎn)生，通過內(nèi)徑4 mm的孔板注入到水箱中。蒸汽流量通過蒸汽閥與旁通閥調(diào)節(jié)。水箱中的水溫用直徑0.5 mm的K型鎧裝熱電偶測量，測點距蒸汽管道軸心約45 mm。銅制冷卻盤管和電加熱棒用于調(diào)節(jié)和維持水箱中的水溫，水溫波動被控制在±1 K內(nèi)。水聲換能器(RHS-20)用于采集聲壓波動信號，其與蒸汽出口豎直方向上的距離約5 mm，水平方向上的距離約50 mm。實驗中水聲換能器的采樣頻率為51.2 kHz，采樣時間為1 s，每組工況采集4～6組數(shù)據(jù)。溫度信號和聲壓波動信號由NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。蒸汽氣泡凝結過程由PHOTRON公司生產(chǎn)的高速攝影儀（Fastcam SA5）記錄。實驗中采用背光系統(tǒng)以增強拍攝的清晰度。

2 蒸汽凝結過程可視化研究

10～70 K過冷度、0.74～3.73 m3·h-1蒸汽體積流量下，隨過冷度和蒸汽流量增加分別出現(xiàn)3種不同的凝結區(qū)域：體積波動區(qū)(shape oscillation regime)、過渡區(qū)(transition regime)以及毛細波區(qū)(capillary wave regime)。不同過冷度、蒸汽流量下3個凝結區(qū)域分布如圖2所示。圖3示出這3個蒸汽凝結區(qū)域中典型的可視化結果。在體積波動區(qū)，隨氣泡生長，其局部開始出現(xiàn)較弱的界面波動，且緩慢發(fā)展，如圖3（a）所示。隨后，氣泡脫離蒸汽管道，逐漸分裂成數(shù)個小氣泡。在毛細波區(qū)，由于凝結作用強，氣泡表面的波動會逐漸發(fā)展成毛細波，其波長與幅值均極小。當氣泡脫離蒸汽管道后立即破碎成大量微小氣泡，如圖3（c）所示。過渡區(qū)可看作體積波動區(qū)和毛細波區(qū)的過渡。如圖3（b）所示，過渡區(qū)氣泡表面的波動強于體積波動區(qū)而弱于毛細波區(qū)。此外，氣泡在脫離后不會立即破碎，而是逐漸凝結，在其凝結到一定程度后再破碎成許多微小汽泡。

過渡區(qū)和毛細波區(qū)中發(fā)生的氣泡破碎現(xiàn)象會導致過冷水中出現(xiàn)較強的壓力波動以及噪聲。應用DCC現(xiàn)象的裝置和設備因而會受到一定的沖擊，其運行、壽命和隱蔽性等受到影響。然而，凝結狀態(tài)一旦進入毛細波區(qū)，由于氣泡表面的毛細波極大增加了有效凝結面積，蒸汽與過冷水間的傳熱和傳質(zhì)會有階躍性的提升，這對利用直接接觸凝結現(xiàn)象換熱或混合的設備卻極其有利。因此，蒸汽凝結時的聲壓波動的研究以及不同凝結狀態(tài)的識別具有十分重要的意義。

3 蒸汽凝結時聲壓波動信號研究

3.1 時域分析

圖4所示是3個凝結區(qū)域中典型的聲壓波動信號以及未通入蒸汽時的本底。未通入蒸汽時的聲壓波動信號為環(huán)境噪聲，如圖4（a）所示，此時的信號幅值均處于0 mV左右。這說明環(huán)境噪聲對聲壓波動信號幅值的影響可以忽略。如圖4（b）所示，在體積波動區(qū)，聲壓波動信號的幅值極小，這說明由氣泡逐漸分裂而引入的聲壓波動較弱。如圖4（c）和（d）所示，在過渡區(qū)和毛細波區(qū)，聲壓波動信號呈現(xiàn)高幅值的脈沖波動，這說明氣泡破碎現(xiàn)象會引入劇烈的聲壓波動。

不同過冷度和蒸汽流量下信號中發(fā)現(xiàn)兩種不同的波形，如圖5所示。在體積波動區(qū)只觀察到第1種波形；在毛細波區(qū)只觀察到第2種；而在過渡區(qū)中的大部分信號包含第1種，少部分還可能包含第2種。此外，所觀察到的第1種波形均以相對較大的負幅值開始，而第2種卻以極高的正幅值開始。氣泡突然破碎會產(chǎn)生具有極高能量的瞬時沖擊，因此水聲換能器檢測到的第2種波形以較大幅值開始；由于瞬時沖擊無法持續(xù)，能量逐漸以聲能和熱能的形式輻射而減少[21]，因此第2種信號呈現(xiàn)衰減振蕩的趨勢。氣泡逐漸分裂過程，無瞬時高能沖擊產(chǎn)生，但是由于氣泡分裂而迅速凝結消失，因此水聲換能器檢測到的第1種波形通常以相對較高的負幅值開始振蕩。因此，第1種波形可能是由氣泡分裂形成，而第2種則是由氣泡破碎形成。

所采集的水聲換能器聲壓波動信號的等間隔時間序列為()，其中=1, 2, ···,，為所采集信號的總樣本。則信號的幅值最大值為

圖6示出不同過冷度和蒸汽流量下聲壓波動信號的幅值最大值。如圖所示，聲壓波動信號幅值最大值通常隨過冷度和蒸汽流量的升高而增加，說明過冷度和蒸汽流量升高會加劇蒸汽氣泡的破碎過程。而在3.73 m3·h-1蒸汽流量、60 K過冷度下，極強的蒸汽凝結作用可能使氣泡未完全生長就破碎，因此該條件下最大幅值低于Qin=3.73 m3·h-1，DTsub=50 K和Qin=1.55 m3·h-1，DTsub=60 K時的最大幅值。

聲壓波動信號的標準偏差以及平均絕對偏差通常可以用來反映數(shù)據(jù)偏離平均值的程度，因此兩者可以用來表征聲壓波動信號的整體波動強度。相比于標準偏差，平均絕對偏差可以更好地減小異常值的影響。兩者可表示為

(3)

過冷度和蒸汽流量對聲壓波動信號標準偏差及平均絕對偏差的影響如圖7所示。從圖中可以看出，兩者的變化趨勢基本相同，Qin=0.74 m3·h-1時隨過冷度升高而升高，而Qin=1.55和3.73 m3·h-1時隨過冷度先增加后減小。這是由于在高過冷度、較高蒸汽流量下，凝結作用較強，會出現(xiàn)氣泡未完全生長就破碎的情況。因此，所采集到的信號中會存在較多幅值較小的脈沖，信號的標準偏差和平均絕對偏差下降。

聲壓波動信號的最大幅值、標準偏差和平均絕對偏差顯然無法明確判別凝結狀態(tài)。因此，對信號的高階矩進行分析。相比于信號的均值和偏差等，偏度和峰度對信號中的變化更加敏感，可表示為

(6)

其中，偏度用于衡量信號概率分布的對稱性，而峰度用于衡量信號概率分布的陡峭程度。圖8和圖9分別示出偏度和峰度隨過冷度和蒸汽流量的變化。與Vial等[18]的實驗結果一致，聲壓波動信號的偏度基本沒有規(guī)律。如圖9所示，不同蒸汽流量下聲壓波動信號的峰度隨過冷度升高存在階躍升高或下降，且階躍處對應的過冷度與圖2所示蒸汽凝結區(qū)域轉變的過冷度基本一致。因此，通過信號的峰度可作為凝結區(qū)域轉變的判據(jù)，而信號的幅值最大值、標準偏差、平均絕對偏差和偏度卻不可以。

3.2 頻域分析及氣泡破碎頻率

對圖4所示的聲壓波動信號進行快速傅里葉變換（FFT），結果如圖10所示。不同凝結區(qū)域的低頻部分均發(fā)現(xiàn)頻率在150～300 Hz的峰值，其頻段范圍與Qiu等[7]實驗中主頻的頻段范圍一致。Qiu等[7]認為低頻區(qū)域的主頻是由蒸汽體積周期性變化引入的。在過渡區(qū)和毛細波區(qū)的高頻部分發(fā)現(xiàn)數(shù)個頻率高于7000 Hz的峰值；而在體積波動區(qū)卻未發(fā)現(xiàn)。此外，毛細波區(qū)的高頻峰值的幅值通常高于過渡區(qū)；而各個區(qū)的低頻峰值的幅值接近。如前所述，在過渡區(qū)和毛細波區(qū)，氣泡會突然破碎并引入高能沖擊，沖擊在水中傳播，并造成水聲換能器附近局部壓力高頻振蕩。這一高頻振蕩可能就是產(chǎn)生高頻峰值的原因。

圖10 不同凝結區(qū)域典型信號幅度譜
Fig. 10 Amplitude spectra of typical acoustic signals in different condensation regimes

信號幅度譜中的首峰頻率通常代表周期最長的一種周期現(xiàn)象，可能與氣泡周期性分裂或破碎行為有關。如圖10所示，首峰頻率通常在150 Hz以下，其隨過冷度和蒸汽流量變化如圖11所示。隨過冷度和蒸汽流量增加，首峰頻率增加。泡破碎頻率根據(jù)可視化結果計算，其定義為連續(xù)兩次氣泡發(fā)生破碎或分裂時間間隔平均值的倒數(shù)，即

不同過冷度下氣泡破碎頻率如圖12所示。由于過冷度和蒸汽流量的增加會分別減少氣泡破碎前的凝結時間和生長時間，因此氣泡破碎頻率隨過冷度和蒸汽流量升高而增加。對比圖11和圖12發(fā)現(xiàn)，兩種頻率所處頻段以及變化規(guī)律接近，因此推測氣泡分裂或破碎頻率近似等于幅度譜中首峰頻率，即

1=b(8)

兩種頻率比較示于圖13。如圖所示，幅度譜中首峰頻率可以較好地間接測量氣泡破碎頻率，其誤差在±20%以內(nèi)。

綜上所述，利用氣泡凝結時的聲壓波動信號可以很好地識別出凝結所處的區(qū)域，并可對氣泡破碎頻率進行間接測量。這些均可為工程上應用DCC的裝置的設計提供技術支持及檢測方法。此外，氣泡微細化沸騰作為一種具有極高換熱能力的沸騰現(xiàn)象，其發(fā)生時會伴隨氣泡破碎現(xiàn)象，而且其發(fā)生時的熱通量與氣泡破碎頻率有關。因此，本文的研究可為判別氣泡微細化沸騰是否發(fā)生與間接測量其熱通量提供了一種可行的方法。

4 結 論

本文利用高速攝像儀及水聲換能器對10～70 K過冷度、0.74～3.73 m3·h-1蒸汽體積流量下的蒸汽凝結過程進行實驗研究，得到如下結論。

（1）隨過冷度和蒸汽流量升高分別發(fā)現(xiàn)3個凝結區(qū)域：體積波動區(qū)(shape oscillation regime)、過渡區(qū)(transition regime)和毛細波區(qū)(capillary wave regime)。在不同凝結區(qū)域的信號中發(fā)現(xiàn)兩種分別對應氣泡分裂和氣泡破碎的波形。

（2）不同蒸汽流量下，聲壓波動信號的峰度隨過冷度增加出現(xiàn)階躍升高或下降，階躍處的過冷度與凝結區(qū)域轉變的過冷度基本一致。因此，信號的峰度可以用來判別凝結狀態(tài)的轉變，而幅值最大值、標準偏差、平均絕對偏差和偏度卻不可以。

（3）頻域分析發(fā)現(xiàn)，在低頻部分，所有凝結區(qū)域的聲壓波動信號均存在峰值；而在高頻部分，僅過渡區(qū)和毛細波區(qū)存在。低頻峰值可能由蒸汽體積周期性波動造成，而高頻峰值可能由氣泡突然破碎引入的局部壓力高頻振蕩造成。

（4）蒸汽氣泡破碎頻率隨過冷度和蒸汽注射流量增加而增加，且與幅度譜中首峰頻率接近，誤差在±20%以內(nèi)。

符 號 說 明

Aad——平均絕對偏差，mV f——頻率，Hz fb——氣泡破碎頻率，Hz f1——首峰頻率，Hz m——氣泡破碎或分裂次數(shù) N——采樣頻率 Qin——蒸汽體積流量，m3·h-1 DTsub——過冷度，K Dtj——連續(xù)兩次氣泡破碎或分裂的時間間隔，s xmax——幅值最大值，mV x(t)——水聲換能器所采聲壓波動信號，mV ——平均值，mV s——標準偏差，mV

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Condensation of vapor using sound pressure oscillation signals

TANG Jiguo1,YAN Changqi1,SUN Licheng2,LI Ya1,WANG Kaiyuan1

(1Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China;2State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, College of Hydraulic and Hydra-electric Engineering, Sichuan University, Chengdu 610207, Sichuan, China)

Signals of sound pressure oscillations during vapor condensation and transition of condensation regimes were investigated using a high-speed video camera and a hydrophone. Results indicate three different condensation regimes with the increase of subcooling and vapor injection rates, which are referred to as bubble oscillation regime, transition regime and capillary wave regime. In addition, two waveforms occur in the detected signals, of which sources are vapor bubble split-up and collapse. The kurtosis of the signals presents step changes, which is close to the transformation threshold of condensation regimes. The peak at frequency of 150—300 Hz appears in spectra in all condensation regimes, which may be resulted from the periodic variation in vapor volume. The peaks with frequency higher than 7000 Hz appear only in transition and capillary wave regimes and may be the resultant of the high-frequency oscillation in pressure caused by sudden collapse of vapor bubbles. The bubble collapse frequency increases with the increase of subcooling and vapor injection rates and is close to the frequency of the first peak in spectra with an error within ±20%.

condensation; bubble collapse; sound pressure oscillation signal; gas-liquid flow; heat transfer

2015-01-20.

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376052, 11475048, 51106101) and the Scientific Research Foundation of Sichuan University (YJ201432).

Prof. YAN Changqi, changqi_yan@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150080

TK 124

A

0438—1157（2015）07—2442—08

國家自然科學基金項目(51376052，11475048，51106101)；四川大學科研基金項目（YJ201432）。

2015-01-20收到初稿，2015-02-27收到修改稿。

聯(lián)系人：閻昌琪。第一作者：唐繼國（1988—），男，博士研究生。