豎直矩形通道內(nèi)空氣—水兩相流動(dòng)中氣泡聚合研究

王璐　孫中寧　張林　李偉　唐昌兵　劉洋華　武小莉

【摘 要】本文在自然循環(huán)條件下，研究豎直上升矩形通道（50×50mm2）內(nèi)氣泡聚合行為特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析氣泡聚合對(duì)自然循環(huán)能力的影響。結(jié)果表明：本實(shí)驗(yàn)條件下氣泡初始平均直徑大于4.5mm時(shí)升力系數(shù)大于零，直徑小于4.5mm時(shí)升力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值；兩氣泡平均間距大于8.3mm時(shí)，幾乎不能看到聚合過(guò)程；實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增加而增大，在氣體流量小于1.30kg/h，增大氣流量對(duì)提升自然循環(huán)能力的效果較氣流量大于1.30kg/h更好。

【關(guān)鍵詞】自然循環(huán)；矩形通道；空氣-水；氣泡聚合

0 引言

針對(duì)事故工況下安全殼的降溫降壓，新一代反應(yīng)堆中多引入了非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)（PCCS），該系統(tǒng)可以不借助外部動(dòng)力裝置，僅依靠自然循環(huán)等物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)安全殼的保護(hù)功能[1-5]。鑒于氣泡泵的引入能大幅降低自然循環(huán)系統(tǒng)上升段的密度，提高驅(qū)動(dòng)力及自然循環(huán)能力，而氣泡間的典型行為（如聚合等）對(duì)上升段的空泡份額有顯著影響，空泡份額又密切關(guān)系著兩相密度及自然循環(huán)能力。因此，有必要對(duì)自然循環(huán)條件下氣泡聚合行為特性及其對(duì)自然循環(huán)能力的影響進(jìn)行研究。

Allan[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液膜厚度減薄到100nm時(shí)， 除了毛細(xì)壓力的作用外， 還開(kāi)始受到一種叫做“附加壓”的作用。當(dāng)附加壓大于零時(shí)，它對(duì)液膜的減薄過(guò)程是不利的； 而當(dāng)它小于零時(shí)，它又會(huì)起到促進(jìn)的作用， 這個(gè)附加壓是由雙電層作用力、范德華分子力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用力組成的，前兩者是構(gòu)成有名的DLVO理論的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)回顧表明，目前關(guān)于氣泡聚合的研究主要集中在兩個(gè)或三個(gè)氣泡，借助可視化實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法對(duì)氣泡的聚合行為進(jìn)行分析和討論。然而實(shí)際工程應(yīng)用中多數(shù)情況下存在大量氣泡，針對(duì)自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的兩相流動(dòng)工況，大量氣泡聚合問(wèn)題研究及其對(duì)自然循環(huán)能力的影響還十分有限。基于此，本文在自然循環(huán)條件下，開(kāi)展矩形通道內(nèi)大量氣泡間聚合行為研究，為提高自然循環(huán)能力提供理論依據(jù)與工程指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

豎直通道內(nèi)氣液兩相上升流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置由氣泡生成系統(tǒng)、自然循環(huán)回路系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

氣泡生成系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣體流量控制閥、質(zhì)量流量計(jì)和環(huán)形陶瓷套筒及相關(guān)管道閥門(mén)組成。

2 圖像處理方法

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高速攝像儀垂直于實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行拍攝，因此同一水平面上存在著氣泡的疊加現(xiàn)象，由于汽泡與高速攝像儀的距離不同，造成同一視圖內(nèi)部的汽泡邊界具有明暗差異，因此，需要根據(jù)氣泡灰度的不同進(jìn)行篩選。使用Image-Pro Plus軟件處理后的氣泡篩選及后處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 兩相同高度處氣泡的聚合行為

圖2表示兩平行氣泡的聚合過(guò)程，兩個(gè)氣泡聚合前的平均直徑為1.295mm，聚合后氣泡直徑為1.630mm。在氣泡聚合前，它們都是以螺旋式的運(yùn)動(dòng)方式不斷上升。在圖（d）和圖（e）中，雖然兩氣泡看似重合在一塊，在圖（f）中卻又再次分開(kāi)，說(shuō)明他們并沒(méi)有發(fā)生聚合，而是在同一水平面上無(wú)接觸地各自進(jìn)行著螺旋式上升運(yùn)動(dòng)，兩氣泡的間距在不斷縮短，直至發(fā)生碰撞，并最終聚合為一個(gè)氣泡。

3.2 同一軸向上的兩個(gè)氣泡的聚合行為

豎直兩氣泡的聚合過(guò)程如圖3所示。兩氣泡聚合前的平均直徑為1.020mm，聚合后的大氣泡直徑為1.576mm。氣泡的聚合行為可由氣泡尾流效應(yīng)解釋。開(kāi)始的時(shí)候，下方氣泡在上方氣泡的尾流中，由于尾流效應(yīng)的影響，下方氣泡受到的阻力很大一部分被上方氣泡抵擋，因此，下方氣泡可以獲得一個(gè)很大的加速度，且越是靠近上方氣泡，這個(gè)加速度越大。隨后，由于慣性的作用，下方氣泡瞬時(shí)超過(guò)了上方氣泡，但它受到的阻力也瞬間變大，氣泡速度馬上降低。而被超越的原上方氣泡也因?yàn)槲擦餍?yīng)速度突然增大，于是兩個(gè)氣泡發(fā)生了碰撞，并最終完成了聚合。

3.3 氣泡聚合對(duì)自然循環(huán)能力的影響

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中自然循環(huán)水流量與注氣量的關(guān)系如圖4所示。氣體流量較小時(shí)，水流量的增長(zhǎng)速率非常快，兩者存在著良好的線性關(guān)系；而當(dāng)注氣量大于1.30kg/h時(shí)，自然循環(huán)水流量的增長(zhǎng)速率下降明顯，但仍能保持線性增加的趨勢(shì)。

氣體流量小于1.30kg/h時(shí)，隨著氣體流量的增大，氣泡直徑不斷增大，氣泡數(shù)密度也增多不少。因此，氣泡與水體的接觸面積迅速擴(kuò)大，氣泡對(duì)水的抬升作用明顯加強(qiáng)，即相同長(zhǎng)度區(qū)段內(nèi)的氣泡群，對(duì)自然循環(huán)能力的提升作用更顯著。這時(shí)的氣泡聚合并沒(méi)有對(duì)自然循環(huán)水流量的增加產(chǎn)生什么阻礙作用。當(dāng)氣體質(zhì)量流量大于1.3kg/h時(shí)，有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)段的豎直壁面上開(kāi)始聚集一層氣泡群，它們的運(yùn)動(dòng)速度很慢，對(duì)液相水的抬升作用非常小，相反還堵住了流道的一部分流通面積。這嚴(yán)重阻礙了氣液兩相的流動(dòng)，所以就出現(xiàn)了圖中4所示的后半段水流量增長(zhǎng)速率的明顯降低。盡管如此，不斷增加的氣體流量還是對(duì)自然循環(huán)能力的增強(qiáng)起到了一定的作用，這是由于增加的氣相流量導(dǎo)致上升段兩相密度的降低，驅(qū)動(dòng)力增大導(dǎo)致自然循環(huán)能力的提升。此外，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最大氣流量工況也觀察到氣泡聚合為大氣彈，氣體仍然以分散氣泡的形式存在于連續(xù)向上流動(dòng)的液相水中，因而氣流量的增大也就必然會(huì)增加水的流速。

Thomas[7]對(duì)強(qiáng)湍流狀態(tài)下兩氣泡的聚合機(jī)理進(jìn)行了研究。氣液兩相界面之間的液體，在接觸碰撞的過(guò)程中，由于相互作用力的影響被不斷擠出，這層液膜脫落到臨界聚合間距的時(shí)間為：

實(shí)際上，湍流強(qiáng)度與ε1成正比。也就是說(shuō)湍流強(qiáng)度的上升使T減小。τ也隨湍流強(qiáng)度的增大而增長(zhǎng)，即湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)對(duì)氣泡的聚合不利。所以當(dāng)氣體流量很大時(shí)，強(qiáng)湍流作用反而使氣泡難以聚合。觀看高氣體流量時(shí)拍攝的錄像，確實(shí)很少看到聚合現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上所述，自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增大而增大的。在氣體流量小于1.30kg/h時(shí)，增大氣流量對(duì)自然循環(huán)能力的提升效果較好；大于1.30kg/h之后，效果有下降的趨勢(shì)，但也不用擔(dān)心流量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氣泡聚合為氣彈而使水流量大大降低。

4 結(jié)論

本文借助高速攝像儀，自然循環(huán)條件下研究了豎直上升矩形通道（50×50mm2）內(nèi)氣泡聚合行為特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析氣泡聚合對(duì)自然循環(huán)能力的影響，所得主要結(jié)論如下：

（1）氣泡初始直徑及初始間距是影響兩水平氣泡聚合過(guò)程的重要因素，本實(shí)驗(yàn)條件下氣泡初始平均直徑大于4.5mm時(shí)升力系數(shù)大于零，直徑小于4.5mm時(shí)升力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值；兩氣泡平均間距大于8.3mm時(shí)，幾乎不能看到聚合過(guò)程。

（2）對(duì)于兩豎直氣泡的聚合過(guò)程，下方氣泡受到的阻力很大一部分被上方氣泡抵擋，下方氣泡可以獲得一個(gè)很大的加速度，下方氣泡瞬時(shí)超過(guò)了上方氣泡，但它受到的阻力也瞬間變大，氣泡速度馬上降低，發(fā)生碰撞的瞬間發(fā)生聚合，即尾流效應(yīng)是影響這類(lèi)氣泡聚合的主要因素。

（3）自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增加而增大，在氣體流量小于1.30kg/h時(shí)，增大氣流量對(duì)自然循環(huán)能力的提升效果較好；大于1.30kg/h之后，效果有下降的趨勢(shì)，但也不用擔(dān)心流量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氣泡聚合為氣彈而使水流量大大降低。

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