流道間隙對單蒸汽泡形狀的影響

張利琴 黃彥平 昝元鋒 王俊峰

摘? ?要：流型是大量汽泡運動的統計平均，流道間隙對單蒸汽泡運動特性影響明顯，窄縫流道的尺寸效應是影響蒸汽-水兩相流流型形成與演變的關鍵因素之一，而單蒸汽泡縱橫比是構建兩相流漂移速度的關鍵參數之一。本文實驗研究了過冷條件下，豎直窄縫通道內單蒸汽泡形狀，分析了流道間隙對單蒸汽泡縱橫比的影響。過冷條件下，流道間隙越小，單蒸汽泡冷凝越快，直徑減小越快，單蒸汽泡縱橫比數值和離散度增大，形狀變化更加劇烈。

關鍵詞：單蒸汽泡? 行為特性? 流道間隙? 熱工水力

中圖分類號：TL333? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（a）-0099-02

Abstract： Flow regimes are behavior assembly average of plenty of single bubbles. Channel gap affect behavior of single vapor bubbles obviously. The channel gap is one of the key parameters to affect formation and evolution of flow regimes of vapor-water two phase flows. Aspect ratio of bubbles is also a key parameter to construct the drift velocity of two phase flows. Experimental study was carried out on shape of single vapor bubbles under subcooling conditions in a vertical narrow channel. The effect of the channel gap was analyzed. Results showed that condensation rate of single vapor bubbles increased as the channel gap decreasing. Meanwhile， the aspect ratio and its deviation increased more obviously， and the shape changed violently.

Key Words： Single vapor bubble;Behavior;Channel gap;Thermal hydraulics

窄縫通道具有相對簡單的結構以及相對較大的比表面積，換熱性能得到了增強，被越來越多地運用在具有小體積、高換熱效率的換熱系統中，如先進核裂變反應堆系統、電子器件冷卻系統、聚變反應堆系統等。窄縫通道內兩相流流動傳熱計算，需首先確定流型。兩相流流型，是大量汽泡行為的統計平均，為深入了解窄縫通道內蒸汽-水兩相流過冷沸騰流型形成及轉變機理，構建相應的流動傳熱模型和流型轉變準則，需對窄縫通道內單蒸汽泡的行為特性進行研究。

當前，已有的文獻顯示，絕熱條件下，小直徑有機單蒸汽泡的縱橫比[1]、上升速度[1-2]、尾流特性[3-2]和氮氣泡、空氣泡差別不大;過冷條件下，冷凝使得單蒸汽泡運動速度增加，且產生了側向速度梯度和側向漂移，進而影響了汽泡的溫度梯度和壽命[4-5]。上述研究中，蒸汽泡邊界與流道壁面不接觸，窄縫通道壁面對單蒸汽泡運動無影響。窄縫通道作為常規通道和微通道的過渡，數值模擬結果顯示通道的尺度變化對汽（氣）泡運動特性的影響非常顯著[6]，研究窄縫通道內流型形成和演變，有必要分析窄縫通道的尺寸效應對單蒸汽泡形狀的影響。本文實驗研究了窄縫通道內，流道間隙對單蒸汽泡縱橫比的影響。

1? 實驗方法

實驗回路由除氧水箱、文丘里流量計、出口水箱、循環泵、實驗本體和閥門組成，本實驗為靜止工況。實驗本體內預設溫度的去離子水靜止后，注入純蒸汽，通過閥門關斷，獲得不同直徑大小的蒸汽泡，通過高速攝像儀拍攝單蒸汽泡在窄縫通道內的冷凝過程。

實驗流道采用窄縫通道結構，流道寬60mm，長950mm，流道間隙為1mm，2mm和3mm，實驗壓力為常壓，過冷度為1.5K，2.0K和2.5K用體積當量直徑描述單蒸汽泡的大小，單蒸汽泡體積當量直徑范圍為4～28mm。

2? 結果與討論

實驗結果顯示，過冷條件下，單蒸汽泡界面發生冷凝，上升過程中，蒸汽泡尺寸不斷減小，大小和形狀不斷改變;流道間隙減小，蒸汽泡冷凝速率增大。

2.1 單蒸汽泡形狀

分析不同過冷度下，流道間隙對蒸汽泡縱橫比的影響。由實驗結果可知，1mm間隙流道內單蒸汽泡縱橫比數值和離散度均大于2mm和3mm間隙流道內數據;過冷度提高，流道間隙改變帶來的縱橫比差異越明顯。縱橫比的差異里不僅包含流道間隙的影響，還包含流道間隙改變引起的散熱損失的影響，過冷度越大，流道間隙改變帶來的散熱損失差異越大，引起不同間隙流道內單蒸汽泡的縱橫比差異越大。

3? 結論

本文對窄縫通道內過冷條件下單蒸汽泡形狀進行了實驗研究，主要結論如下：

（1）單蒸汽泡界面發生冷凝，蒸汽泡尺寸不斷減小，大小和形狀不斷改變;流道間隙減小，蒸汽泡冷凝速率增大;

（2）流道間隙減小，單蒸汽泡縱橫比的數值和離散度都大大增加，蒸汽泡形狀變化更為劇烈。

參考文獻

[1] Vassallo P F， Symolon， P D， Moore， W E， Trabold， T A. Freon bubble rise measurement in a vertical rectangular channel[J]. Journal of Fluid Engineering，1995（117）：729-732.

[2] 宋明亮.豎直窄縫通道空氣泡與蒸汽泡運動特性研究[D].中國核動力研究設計院，2013.

[3] Celata G P， Cumo M， Annibale F D， Tomiyama A. Terminal bubble rising velocity in one component systems. 39th European Two-Phase Flow Group Meeting， Aveiro， Portugal， 18–20 June， Paper F3， 2001， 1-11.

[4] Pan L M.， Tan Z W， Chen? D Q ， Xue L C. Numerical investigation of vapor bubble condensation characteristics of subcooled flow boiling in vertical rectangular channel[J]. Nuclear Engineering and Design，2012（248）：126-136.

[5] Jeon S S， Kim S J， Park G C. Numerical study of condensing bubble in subcooled boiling flow using volume of fluid model.[J]. Chemical Engineering and Science，2011（66）：5899-5909.

[6] 李維仲，趙大勇，陳貴軍.豎直流道寬度對氣泡運動行為影響的數值模擬[J]. 計算力學學報， 2006， 23（2）：196-201.