從躍磊,種道彤,嚴(yán)俊杰
(1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 西安分公司,陜西 西安 710065;2.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)
蒸汽-水直接接觸凝結(jié)換熱具有高效的傳熱性能,廣泛應(yīng)用于余熱回收利用蒸汽引射器、電廠(chǎng)直接接觸式換熱器如除氧器、核電非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。核反應(yīng)堆的卸壓系統(tǒng)內(nèi),摻雜有少量不凝結(jié)氣體的蒸汽射流到壓水堆換料水箱或沸水堆抑壓池的過(guò)冷水中,不凝結(jié)氣體嚴(yán)重影響汽水直接接觸凝結(jié)換熱、汽水流動(dòng)及其壓力振蕩特性。壓力振蕩產(chǎn)生的沖擊載荷對(duì)水箱壁面等相關(guān)設(shè)備有重要影響,嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行和使用壽命。不凝結(jié)氣體對(duì)蒸汽浸沒(méi)射流壓力振蕩特性具有顯著影響,因此研究其射流的凝結(jié)形態(tài)及振蕩強(qiáng)度對(duì)相關(guān)工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。
目前,對(duì)含不凝結(jié)氣體蒸汽浸沒(méi)射流的研究仍很缺乏,僅有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Chan等[1-8]對(duì)純蒸汽浸沒(méi)射流時(shí)的蒸汽凝結(jié)形態(tài)、壓力振蕩強(qiáng)度以及壓力振蕩頻率等內(nèi)容進(jìn)行了相關(guān)研究。Song等[9]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,凝結(jié)振蕩區(qū)的壓力振蕩強(qiáng)度先增強(qiáng)后逐漸減弱,峰值對(duì)應(yīng)的溫度緩慢降低。Kim等[10]發(fā)現(xiàn)在凝結(jié)振蕩區(qū),壓力振蕩強(qiáng)度隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大先增大后減小。屈曉航等[11-12]通過(guò)測(cè)量流場(chǎng)中溫度的分布確定了汽羽的穿透長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,含有少量的不凝結(jié)氣體,使得軸向和徑向的溫度下降速度減緩。Zhao等[13-15]研究發(fā)現(xiàn),含有少量不凝結(jié)氣體時(shí)較純蒸汽浸沒(méi)射流振蕩強(qiáng)度明顯減弱,隨過(guò)冷水溫度的升高,兩強(qiáng)度的相差逐漸減弱。含不凝結(jié)氣體的蒸汽沿浸沒(méi)射流方向存在峰值,且隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蒸汽質(zhì)量流率及過(guò)冷水溫度的增加而增大。
本文對(duì)含有不凝結(jié)氣體的蒸汽浸沒(méi)射流凝結(jié)形態(tài)和壓力振蕩強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,為相關(guān)工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。
含不凝結(jié)氣體蒸汽浸沒(méi)射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,主要由蒸汽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)、水箱噴嘴以及閥門(mén)管道等組成。蒸汽系統(tǒng)采用電熱蒸汽鍋爐,通過(guò)渦街質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量。空氣系統(tǒng)采用螺桿式空氣壓縮機(jī)供氣,采用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量空氣質(zhì)量流量。實(shí)驗(yàn)設(shè)備可滿(mǎn)足各項(xiàng)參數(shù)工況要求。

圖1 含不凝結(jié)氣體蒸汽浸沒(méi)射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experiment system of submerged steam jet containing non-condensable gas
采用T型熱電偶測(cè)量過(guò)冷水溫度,采用高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量流場(chǎng)壓力,壓力測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。采用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。為研究不凝結(jié)氣體對(duì)蒸汽浸沒(méi)射流壓力振蕩凝結(jié)形態(tài)的影響,通過(guò)可視化系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中凝結(jié)形態(tài)的變化進(jìn)行觀(guān)察和記錄。

圖2 壓力測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Distribution of pressure measuring point
在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,調(diào)整高速攝像機(jī)以備用,并保證其高度與射流方向垂直,調(diào)整焦距、光源強(qiáng)度以獲得最佳拍攝效果,在既定的工況參數(shù)下拍攝凝結(jié)形態(tài)。系統(tǒng)提供各參數(shù)的蒸汽和空氣,蒸汽-空氣按一定比例混合后,即含不凝結(jié)氣體的飽和蒸汽,經(jīng)噴嘴噴射進(jìn)入過(guò)冷水中,利用調(diào)節(jié)閥調(diào)整蒸汽-空氣的質(zhì)量流量,并用測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到各工況的壓力振蕩參數(shù)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)分析不凝結(jié)氣體對(duì)蒸汽浸沒(méi)射流凝結(jié)形態(tài)及壓力振蕩強(qiáng)度的影響。
為研究不同空氣含量對(duì)蒸汽浸沒(méi)射流凝結(jié)形態(tài)及壓力振蕩強(qiáng)度的影響,采用空氣與蒸汽質(zhì)量流率的比值來(lái)表示空氣的含量。空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)A表達(dá)式如下:
A=Ga/Gs×100%
式中,Gs、Ga分別為蒸汽和空氣的質(zhì)量流率,kg/(m2·s)。
為研究水箱中不同位置處壓力振蕩的強(qiáng)度,定義射流軸向和徑向距離與噴嘴出口直徑的比值為無(wú)量綱數(shù)。軸向、徑向無(wú)量綱距離表達(dá)式如下:
X=x/de,R=r/de
式中:x為軸向距離,mm;r為徑向距離,mm;de為噴嘴出口直徑,mm。
實(shí)驗(yàn)條件列于表1。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental condition

圖3 壓力振蕩的原始信號(hào)Fig.3 Pressure oscillation original signal
壓力振蕩的原始信號(hào)如圖3所示,從圖3可看出射流壓力振蕩的強(qiáng)度趨勢(shì)。
利用壓力振蕩的原始信號(hào)求得均方根(prms)值,研究壓力振蕩強(qiáng)度的變化。
式中:pi為瞬時(shí)壓力,kPa;N為采樣數(shù)量;pav為平均壓力,kPa。
為驗(yàn)證所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性,在同一工況參數(shù)下進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。對(duì)壓力振蕩數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到的壓力振蕩強(qiáng)度的重現(xiàn)性曲線(xiàn)如圖4所示。可看出,兩次壓力振蕩強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)基本重合,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的重現(xiàn)性。

圖4 壓力振蕩強(qiáng)度的重現(xiàn)性Fig.4 Repeatability of pressure oscillation intensity
含有少量不凝結(jié)氣體的蒸汽噴射進(jìn)入過(guò)冷水的過(guò)程中,攜帶較大動(dòng)量的飽和蒸汽對(duì)靜止的過(guò)冷水產(chǎn)生沖擊,在過(guò)冷水中噴嘴軸線(xiàn)方向形成汽羽的外形并不斷向后延伸。
實(shí)驗(yàn)研究了空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)蒸汽浸沒(méi)射流汽羽形狀的影響。不同空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蒸汽質(zhì)量流率和過(guò)冷水溫度下具有代表性的汽羽形狀如圖5所示。
從圖5可看出,隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增大,汽羽形狀發(fā)生了顯著變化。過(guò)冷水溫度較低時(shí),過(guò)冷水冷凝能力較強(qiáng),純蒸汽浸沒(méi)射流質(zhì)量流率較小,汽羽及其尾部脫離的蒸汽泡快速被凝結(jié),因此核心汽羽的形狀較短小,汽羽尾部?jī)上鄥^(qū)無(wú)氣泡。
隨蒸汽質(zhì)量流率的增加,蒸汽噴射進(jìn)入過(guò)冷水中的含量增大,其攜帶的動(dòng)量增加,同時(shí)過(guò)冷水對(duì)蒸汽射流存在流動(dòng)阻力,從而使核心汽羽發(fā)生稍許的膨脹,空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí),汽羽形狀明顯發(fā)生改變,少量空氣的存在增加了凝結(jié)換熱熱阻,惡化了凝結(jié)換熱效果,汽羽邊界波動(dòng)愈加劇烈,并不斷向外擴(kuò)張,汽液接觸面積即換熱面積增大。
在空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和過(guò)冷水溫度增加的過(guò)程中,汽羽形狀逐漸發(fā)生變化,汽羽邊界形成不凝結(jié)氣體層,蒸汽不能被及時(shí)凝結(jié),被汽流攜帶向下游,使得核心汽羽增長(zhǎng),且其攜帶動(dòng)量逐漸減弱,換熱時(shí)間的稍許增加使其得到有效換熱,從而汽羽尾部?jī)上鄥^(qū)擺動(dòng)幅度增大,且擺動(dòng)周期增長(zhǎng),流場(chǎng)空間內(nèi)影響的范圍亦逐漸加大。

圖5 不同參數(shù)下射流的汽羽形狀Fig.5 Vapor plume shape under different parameters
當(dāng)空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蒸汽質(zhì)量流率和過(guò)冷水溫度較大時(shí),更多的蒸汽進(jìn)入過(guò)冷水中,過(guò)冷水溫度升高使其冷凝能力下降,空氣含量較高、凝結(jié)換熱熱阻較大,均使得蒸汽不能及時(shí)被凝結(jié)。
同時(shí),汽液界面變得非常不穩(wěn)定,波動(dòng)劇烈,大量蒸汽被攜帶向下游,汽羽長(zhǎng)度增加,汽液界面的換熱面積增大,故出現(xiàn)汽羽尾部?jī)上鄥^(qū)變得發(fā)散,且汽羽尾部周期性脫離無(wú)數(shù)明顯的微小氣泡,脫離、破裂的速率也明顯減慢,且其體積也明顯增大,這從圖中較光亮的部分可明顯看到。
壓力振蕩強(qiáng)度隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明,不凝結(jié)氣體對(duì)蒸汽浸沒(méi)射流凝結(jié)壓力振蕩強(qiáng)度有非常重要的影響。

圖6 壓力振蕩強(qiáng)度隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Pressure oscillation intensity variation with air mass fraction
空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~5%時(shí)的壓力振蕩強(qiáng)度明顯較空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)的小,即含少量不凝結(jié)氣體蒸汽的壓力振蕩強(qiáng)度較純蒸汽壓力振蕩強(qiáng)度明顯變小。但在一定蒸汽質(zhì)量流率和過(guò)冷水溫度下,含有少量不凝結(jié)氣體的壓力振蕩強(qiáng)度隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加整體呈緩慢上升趨勢(shì)。
含有不凝結(jié)氣體的飽和蒸汽直接噴射進(jìn)入過(guò)冷水中時(shí),蒸汽和過(guò)冷水之間通過(guò)汽液界面進(jìn)行傳熱,但其存在不凝結(jié)氣體層,使得蒸汽冷凝阻力增加,對(duì)其傳熱產(chǎn)生阻礙作用。
1) 軸向分布規(guī)律
壓力振蕩強(qiáng)度隨軸向無(wú)量綱距離的分布規(guī)律如圖7所示。隨軸向無(wú)量綱距離的增加,壓力振蕩強(qiáng)度先增大后逐漸減小,存在明顯的壓力振蕩峰值,隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,峰值位置沿軸向后移。從圖7可見(jiàn),峰值位置在軸向無(wú)量綱距離X=3和X=7之間。一方面由于空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大總的質(zhì)量流率增加,汽羽穿透長(zhǎng)度增大,另一方面隨著空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,不凝結(jié)氣體層加厚,汽泡的體積越來(lái)越大,使得蒸汽在過(guò)冷水中凝結(jié)的過(guò)程中,換熱熱阻增加,從而減緩了蒸汽泡潰滅過(guò)程,凝結(jié)所需時(shí)間增長(zhǎng),峰值位置后移。

圖7 壓力振蕩強(qiáng)度隨軸向距離的分布Fig.7 Pressure oscillation intensity variation with axial distance
2) 徑向分布規(guī)律
在流場(chǎng)中不同測(cè)點(diǎn)位置壓力振蕩的強(qiáng)弱不同,壓力振蕩強(qiáng)度隨徑向無(wú)量綱距離的分布規(guī)律如圖8所示。在不同的空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,隨徑向無(wú)量綱距離的增加,壓力振蕩的強(qiáng)度單調(diào)減弱。不同的汽水參數(shù)下,壓力振蕩強(qiáng)度沿徑向無(wú)量綱距離的衰減規(guī)律基本一致。

圖8 壓力振蕩強(qiáng)度隨徑向距離的分布Fig.8 Pressure oscillation intensity variation with radial distance
壓力振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生歸因于汽液界面的兩側(cè)在熱量和質(zhì)量的傳遞與交換過(guò)程中相界面的波動(dòng)作用。壓力振蕩在流場(chǎng)空間各處傳播時(shí),隨徑向無(wú)量綱距離的增加,逐漸遠(yuǎn)離射流汽羽邊界,即逐漸遠(yuǎn)離振蕩的振源,表現(xiàn)出壓力振蕩強(qiáng)度隨徑向無(wú)量綱距離的增加逐漸減小。
壓力振蕩峰值(pv)的大小與位置對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中合理選擇設(shè)備尺寸及其安裝位置、有效避開(kāi)壓力振蕩最強(qiáng)烈的區(qū)域有十分重要的指導(dǎo)意義。
1) 不凝結(jié)氣體對(duì)壓力振蕩峰值大小的影響
不同蒸汽質(zhì)量流率下,壓力振蕩峰值隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖9所示。在穩(wěn)定凝結(jié)區(qū)域,一定空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,壓力振蕩峰值隨蒸汽質(zhì)量流率的增加而逐漸增大,當(dāng)凝結(jié)形態(tài)接近凝結(jié)振蕩區(qū)時(shí),壓力振蕩峰值略高。
不同過(guò)冷水溫度下的壓力振蕩峰值隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖10所示。不同空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,壓力振蕩峰值隨過(guò)冷水溫度的升高而逐漸增大,且空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí),峰值隨過(guò)冷水溫度增加的速率明顯快。另外,在過(guò)冷水溫度較低時(shí),壓力振蕩峰值隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而緩慢增大,過(guò)冷水溫度較高時(shí),峰值隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸減小。過(guò)冷水溫度上升過(guò)程中存在凝結(jié)形態(tài)變化的過(guò)渡區(qū)域[1-6]。
不凝結(jié)氣體對(duì)汽液界面的波動(dòng)有顯著影響。當(dāng)過(guò)冷水溫度較低時(shí),冷凝能力較強(qiáng),蒸汽被迅速凝結(jié),汽羽長(zhǎng)度相對(duì)較小。少量不凝結(jié)氣體會(huì)阻礙汽液界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì),隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,傳熱傳質(zhì)能力逐漸下降,汽羽形狀發(fā)生膨脹,界面波動(dòng)頻率增快、幅度增大。

圖9 不同蒸汽質(zhì)量流率下壓力振蕩峰值隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.9 Pressure oscillation peak value variation with air mass fraction at different steam mass flow rates

圖10 不同過(guò)冷水溫度下壓力振蕩峰值隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.10 Pressure oscillation peak value variation with air mass fraction at different subcooled water temperatures
當(dāng)過(guò)冷水溫度較高時(shí),其冷凝能力下降,蒸汽不能及時(shí)被冷凝,汽羽的長(zhǎng)度增加,在流場(chǎng)中的影響范圍增大。隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,汽液界面變得非常不穩(wěn)定,波動(dòng)愈加劇烈。汽羽邊界形成不凝結(jié)氣體層,大量蒸汽被不凝結(jié)氣體流攜帶向下游,使得核心汽羽增長(zhǎng),且其攜帶動(dòng)量逐漸減弱。汽羽邊界受到水的阻力影響流速減慢,換熱時(shí)間及換熱面積的稍許增加即可使蒸汽得到有效換熱。汽羽邊界間歇性脫離無(wú)數(shù)明顯的微小氣泡,脫離、破裂的速率也明顯減緩,界面波動(dòng)頻率減慢、強(qiáng)度減弱。
2) 不凝結(jié)氣體對(duì)壓力振蕩峰值位置的影響
通過(guò)分析壓力振蕩峰值位置隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布,得到蒸汽質(zhì)量流率為600 kg/(m2·s)、過(guò)冷水溫度為50 ℃、空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加到5%時(shí),壓力振蕩峰值位置由軸向無(wú)量綱距離X=5增大到X=10,即壓力振蕩峰值的位置隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸沿軸向后移。通過(guò)同樣方法,在本實(shí)驗(yàn)所有工況參數(shù)下統(tǒng)計(jì)得到,壓力振蕩峰值位置的變化范圍為X=3~12。
少量不凝結(jié)氣體的存在使汽羽外形成不凝結(jié)氣體層,嚴(yán)重惡化凝結(jié)換熱效果。隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,蒸汽凝結(jié)換熱熱阻增加,汽羽不能及時(shí)被凝結(jié),使得汽羽穿透長(zhǎng)度增加,故壓力振蕩峰值位置逐漸沿軸向后移。
3) 峰值位置與穿透長(zhǎng)度的關(guān)系
含少量不凝結(jié)氣體的蒸汽浸沒(méi)射流壓力振蕩強(qiáng)度與汽羽凝結(jié)形態(tài)有密切的內(nèi)在聯(lián)系,為此對(duì)壓力振蕩峰值位置與汽羽穿透長(zhǎng)度的關(guān)系進(jìn)行了研究。不同空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,壓力振蕩強(qiáng)度軸向分布和相同工況下汽羽凝結(jié)形態(tài)的對(duì)比如圖11所示。
蒸汽中含有少量不凝結(jié)氣體時(shí),壓力振蕩的峰值位置恰好位于核心汽羽無(wú)量綱穿透長(zhǎng)度最大的位置,即壓力振蕩最強(qiáng)的位置位于核心汽羽尾部,且具有良好的一致性。
不凝結(jié)氣體和過(guò)冷水阻力的存在使得汽羽尾部蒸汽流動(dòng)速度下降,汽羽尾部為核心汽羽流速最低處,蒸汽在汽羽尾部的汽液界面處快速被凝結(jié),此處存在劇烈的質(zhì)量和熱量的傳遞。在蒸汽攜帶動(dòng)量和過(guò)冷水冷凝的作用下,汽羽尾部汽泡的脫離、潰滅導(dǎo)致汽羽穿透長(zhǎng)度發(fā)生連續(xù)的周期性變化,汽羽尾部汽液界面在某個(gè)位置波動(dòng)。汽羽尾部的波動(dòng)產(chǎn)生劇烈的壓力振蕩,核心汽羽尾部即為壓力振蕩峰值的位置。

圖11 壓力振蕩峰值位置和汽羽形狀的對(duì)比Fig.11 Comparison of pressure oscillation peak position and steam shape
通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不凝結(jié)氣體對(duì)蒸汽浸沒(méi)射流凝結(jié)形態(tài)和振蕩強(qiáng)度的影響,得到以下主要結(jié)論。
1) 含有少量不凝結(jié)氣體時(shí),蒸汽浸沒(méi)射流凝結(jié)形態(tài)發(fā)生顯著變化。隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,核心汽羽形狀發(fā)生膨脹,汽液界面變得非常不穩(wěn)定,波動(dòng)愈加劇烈。汽羽長(zhǎng)度增加且尾部?jī)上鄥^(qū)形狀變得發(fā)散,脫離無(wú)數(shù)明顯的微小氣泡。
2) 含不凝結(jié)氣體的壓力振蕩強(qiáng)度較純蒸汽時(shí)明顯變小,但含有少量不凝結(jié)氣體的壓力振蕩強(qiáng)度隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加整體呈緩慢上升趨勢(shì)。壓力振蕩強(qiáng)度隨軸向距離的增加先增大后逐漸減小,存在壓力振蕩峰值。隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,峰值位置沿軸向后移。壓力振蕩強(qiáng)度隨徑向距離的增加而單調(diào)減小。
3) 過(guò)冷水溫度較低時(shí),壓力振蕩峰值隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而緩慢增大;過(guò)冷水溫度較高時(shí),規(guī)律恰好相反,且中間存在過(guò)渡區(qū)域。峰值位置在軸向無(wú)量綱距離X=3和X=12之間。含少量不凝結(jié)氣體的蒸汽浸沒(méi)射流壓力振蕩,其峰值的位置恰好位于核心汽羽無(wú)量綱穿透長(zhǎng)度最大的位置,即壓力振蕩最強(qiáng)的位置位于核心汽羽尾部,且具有良好的一致性。