過冷水中蒸汽射流自旋凝結的實驗研究

摘要：針對蒸汽射流自旋凝結過程中的復雜流動和相變展開實驗研究，采用新型X型旋流壓力噴嘴實現了蒸汽射流的自旋流動，分析了不同流量下旋轉氣泡的冷凝模式以及相關參數的演化規律，包括氣泡半徑、生長速率、潰滅速率、氣泡質心最大遷移速度和潰滅頻率。結果表明：蒸汽射流自旋凝結可劃分為光滑生長氣泡機制、過渡氣泡機制和粗糙生長氣泡機制。在離心力作用下，凝結過程中可能出現頸部螺旋發展和氣泡頂部凸起不規則變形等典型行為。隨著質量流量的增加，氣泡冷凝時間縮短，生長速率有所增加，氣泡半徑和潰滅速率呈現非線性變化，氣泡質心最大遷移速度范圍為24.3～73.23m/s，氣泡潰滅頻率為20～302Hz。同一質量流量下，氣泡可能在不同方向上發生冷凝并出現之字形運動軌跡。氣泡質心偏離噴嘴中心軸線角度增大，有助于減小氣泡潰滅過程中發生回彈的次數，對氣泡生長速率、潰滅速率和氣泡質心最大遷移速度產生非線性影響。研究結果可為開發和優化相關工業領域中的冷凝技術提供重要的理論依據。

關鍵詞：旋轉蒸汽射流；X型旋流壓力噴嘴；氣泡凝結特性

中圖分類號：TK2 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202502003 文章編號：0253-987X（2025）02-0023-09

Experimental Study of the Condensation of Swirling Steam Jet in Subcooled Water

CONG Hongchuan， HAN Peidong， ZHOU Ziqi， SUN Zhongguo， XI Guang

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：To show the complex flow and phase change in the condensation of swirling steam jet， an experimental study was conducted in this paper. Firstly， a novel X-type swirl pressure nozzle was employed to achieve the swirling flow of the steam jet. Next， the condensation regimes of swirling bubbles and the evolution of related parameters were analyzed at various mass flow rates， and these parameters included bubble radius， growth rate， collapse rate， maximum migration speed of the bubble center， and collapse frequency. The results show that there were three condensation regimes： smooth grown bubble regime， transition regime， and rough grown bubble regime. Under the influence of centrifugal force， typical behaviors such as neck torsion and irregular deformation of the jet bulge at the top of bubbles may occur during the condensation process. As the mass flow rate increased， the bubble condensation time decreased， the growth rate increased， and both bubble radius and collapse rate exhibited nonlinear changes. The maximum migration speed of the bubble center ranged from 24.3m/s to 73.23m/s， while the bubble collapse frequency varied between 20Hz and 302Hz. At the same mass flow rate， bubbles may condense in different directions and display a zigzag motion trajectory. An increasing in the deviation angle of the bubble center relative to the central axis of the nozzle helps reduce the rebound number during the collapse， exerting a nonlinear impact on the bubble growth rate， collapse rate， and maximum migration speed of the bubble center. This study can provide a theoretical support to some extent for the development and optimization of condensation technologies in related industrial fields.

Keywords：swirling steam jet; X-type swirl pressure nozzle; bubble condensation characteristics

蒸汽射流冷凝因其較高的傳熱傳質效率而被廣泛應用在核工程［1］、船舶蒸汽動力系統［2］和大推力液氧煤油火箭發動機［3］等各個領域。冷凝過程伴隨著相變、多物理場耦合、界面多尺度演化等瞬態特性［4］，不僅受外界條件的影響，還與自身運動狀態密切相關。因此，蒸汽射流凝結的研究可分為靜止射流凝結、搖擺蒸汽射流凝結和旋轉蒸汽射流凝結3個方面，其中，旋轉蒸汽射流凝結在復雜的兩相相互作用中引入了離心力，給理論研究和實際應用帶來了諸多挑戰，尚未深入開展。

目前，蒸汽射流直接接觸冷凝的研究中，靜止蒸汽射流冷凝的研究最為成熟［5-6］。Tang等［7］研究了30～95℃水溫和蒸汽0.19～7.61m3/h體積流量對冷凝過程的影響，確定了光滑氣泡區、形狀振蕩區、過渡區和毛細波區4種凝結特征。研究發現，隨著液體過冷度和體積流量的增加，氣泡表面變得更加粗糙和不穩定，擴大了凝結的有效面積，加速了氣泡的凝結。文獻［8-9］的研究表明，氣液兩相區是蒸汽凝結的主要區域，該區域傳質過程中伴隨著壓力和速度的劇烈參數變化。Yang等［10］分析了蒸汽射流的鼓泡頻率和界面換熱的關系，發現鼓泡越快，傳遞的熱量越多。Qiu等［11］通過實驗將氣泡凝結模式劃分為喘振、光滑生長氣泡和粗糙生長氣泡。研究發現，氣泡潰滅頻率隨水溫的升高而減小，隨蒸汽質量流量的增大而增大。Song等［12］的數值研究結果表明，氣泡凝結過程中，氣泡半徑變化率在氣泡縮頸階段達到最大值，界面傳熱系數和泡內速度的峰值出現在氣泡頸部區域。Chong等［13］實驗討論了蒸汽質量流量、水溫度、管道尺寸和蒸汽噴射方向等因素對冷凝模式的影響，確定了喘振、半球形氣泡振蕩（HBO）和封裝氣泡振蕩（EBO）3種典型的流動模式。研究表明，較大的管道直徑會降低臨界蒸汽質量流量，增加蒸汽流量和降低水溫將增加冷凝震蕩頻率。Patel等［14］實驗研究表明，隨著蒸汽射流管內徑增加，傳熱系數增加。當蒸汽射流管從垂直方向改變為傾斜方向時，壓力波動幅度顯著降低，而傳熱系數略有增加。閆良等［15］對較大流量下的蒸汽羽流特征進行數值研究。研究表明，較高的水溫和入口壓力均會導致蒸汽羽流長度和影響區域增大。

針對海洋環境中的直接接觸冷凝現象，擺動運動對相變換熱的影響逐漸成為研究的熱點［16-17］。Chen等［18-19］數值研究了擺動條件下蒸汽浸沒射流的壓力震蕩和傳熱特性。研究結果表明，隨著擺動周期的減小和擺動角度的增加，由于科里奧利力的增強，蒸汽浸沒射流的主導振蕩頻率增加，與靜態條件相比，擺動條件下可以加強傳熱和傳質。Wang等［20］數值研究結果表明，隨著擺動角度和擺動頻率的增大，附加慣性力和平均凝結速率增大，擺動運動引起的海水反向流動導致蒸汽在管道下部積聚，產生較大的壓力脈沖。

旋轉蒸汽射流凝結在相關冷凝技術的開發和應用中發揮著日漸重要的作用。在核熱能發電領域，蒸汽驅動的發電廠的熱效率僅為35%［21］。其中，冷卻塔排汽入水過程浪費了大部分能量，蒸汽以旋轉的方式注入，可以誘導更多的周圍水卷入，改善與周圍水的相互作用，增強質量、動量和能量的傳遞［22］。在熱交換器開發技術中，通過引入旋轉運動強化傳熱，實現減小熱交換裝置的尺寸和成本來提高熱交換裝置性能的目的［23］。在海上天然氣勘探和開發過程中，提取的混合物中含有大量蒸汽，可能導致管道腐蝕和設備結冰，所以必須在天然氣運輸前進行超聲速脫水過程。旋流強度是超聲速分離器脫水過程中的關鍵因素，對冷凝效果和脫水效率有重要影響［24］。然而，相比于靜止蒸汽射流冷凝和擺動條件下的蒸汽射流冷凝，旋轉蒸汽射流冷凝的研究尚未開始。儲小娜等［25］雖對蒸汽旋轉射流凝結進行了實驗研究，但主要關注氣液界面速度特性。因此，為了彌補當前直接接觸冷凝的研究空白，提高汽射流自旋凝結在工程實際中的應用價值，優化系統性能，本文將對蒸汽射流自旋凝結特性展開實驗研究。

1 實驗系統及圖像處理

1.1 實驗系統

蒸汽射流冷凝實驗臺主要由蒸汽供應系統、可視化實驗水箱、測控系統和圖像采集系統4部分組成。采用電磁蒸汽發生器連續供應高溫水蒸氣，電磁蒸汽發生器的額定蒸汽壓力為0.7MPa，額定蒸汽量為100kg/h，飽和水蒸氣經穩壓罐穩壓后在蒸汽管路中流動。蒸汽管道用玻璃纖維棉包裹，以減少蒸汽熱量損失，實驗水箱尺寸為0.3m×0.3m×1m，水箱頂部為開放式。噴嘴安裝于水箱底部，蒸汽射流垂直向上射出，測控系統主要包括渦街流量計、壓力變送器、溫度變送器、溫度熱電偶和閥門組，蒸汽質量流量通過渦街流量計進行監測。在渦街流量計出口處安裝壓力變送器和溫度變送器，用來測量蒸汽入口壓力和溫度，水箱內放置溫度熱電偶，用來測量實驗水箱中過冷水溫度，實驗所需蒸汽質量流量通過調節電動蒸汽閥門開度來控制。圖像采集系統采用千眼狼高速相機記錄氣泡的瞬態凝結過程，在水箱后方布置無頻閃LED光源，為攝像機提供均勻的光背景。通過氣液相數據采集程序，采集蒸汽和過冷水溫度、蒸汽入口壓力和蒸汽質量流量等數據。為研究不同流量對旋轉蒸汽射流凝結的影響，使實驗結果覆蓋光滑、過渡和粗糙3種典型的氣泡冷凝狀態，考慮儀器的測量精度，實驗參數設置如表1所示。

實驗所采用的旋流壓力噴嘴為內部含有X型旋流芯的實心錐形噴嘴，X型旋流芯和蒸汽射流流動示意圖如圖1所示。蒸汽射流流經旋流芯時將被分成兩股，每股氣流都沿著葉片表面流動并獲得角動量，兩股氣流在葉片的末端匯合，形成一股螺旋上升的蒸汽射流后從噴嘴射出。

1.2 圖像數據處理

為了識別相界面的位置，進一步提取和分析氣泡參數，采用MATLAB軟件編程對高速相機獲得的圖像進行處理，預處理過程如圖2所示。首先，對原始圖像使用Wiener濾波、intensity濾波、erode濾波和dilate濾波去除背景顏色和噪點；其次，利用Otsu方法將灰度圖像轉換為二值圖像；最后，為了獲得氣泡的完整二元圖像，提取特征參數，并對圖像進行反色和填充處理。

假設蒸汽泡在垂直軸上為軸對稱分布，氣泡離散元素的所有水平截面均為圓形［7］。根據得到的二維二進制圖像，采用離散積分法計算氣泡體積，即

Vb=π4K3∑i∈Ωd2i（1）

等效氣泡半徑計算為

R=33Vb/4π（2）

氣泡質心坐標為

xc=K∑i∈Ω∑j∈Ωxi，jN; yc=K∑i∈Ω∑j∈Ωyi，jN（3）

式中：K為將圖像單位轉換為實際值的比例因子；di為氣泡i行的寬度；Ω為氣泡中所有像素點的集合；xi，j為氣泡中像素的橫坐標；yi，j為氣泡中像素的縱坐標；N為氣泡區域總的像素點數。

氣泡速度定義為氣泡中心在x、y方向上的位移變化與兩幀圖像之間時間間隔Δt的比值，即

vb=Δx2c+Δy2cΔt（4）

式中：Δt=0.2ms。

1.3 不確定度分析

測量參數的不確定度根據Moffat不確定度分析［26］獲得，氣泡體積不確定度與記錄圖像的分辨率以及氣泡識別過程有關。同時，計算氣泡體積時，假設氣泡離散元素的所有水平截面都是圓形［7］。本研究中，計算得到氣泡體積的不確定度小于9%，氣泡半徑不確定度為3.5%，氣泡速度的不確定度約為9.8%，蒸汽入口壓力的不確定度為±1.2%，蒸汽溫度的不確定度為±1.9%，蒸汽質量流量Gs的不確定度為±2.1%，水溫的不確定度為±0.5%。

2 實驗結果及討論

2.1 蒸汽射流自旋凝結形態分析

本文對水溫為80℃、質量流量為0.2～3.8m3/h的蒸汽自旋凝結過程進行實驗研究，通過可視化的實驗結果，基于氣泡表面呈現的特征，以及氣泡潰滅是否發生以及何時發生對氣泡凝結形態進行定性分類［7，11］。實驗中識別了光滑氣泡機制、過渡氣泡機制和粗糙氣泡機制3種凝結模式，分別如圖3～圖5所示，圖中將上一個氣泡從噴嘴分離的時間定義為冷凝初始時刻。為了說明旋轉氣泡凝結過程中的典型變形行為，在同一凝結模式下，給出了不同流量下的實驗結果。另外，由于受流體流動等因素的影響，很難保證同一實驗工況下每個周期的氣泡形態完全一致，本文展示的氣泡凝結過程為同一流量下重復性較高并能體現旋轉運動作用的實驗結果。

不同質量流量下的光滑生長氣泡機制如圖3所示，在該機制下，氣泡緩慢生長，形態基本保持穩定，氣液相界面較為清晰。圖3（a）中：質量流量為0.2m3/h時，氣泡表面非常光滑，氣泡形態沿軸向具有良好的對稱性；冷凝過程中，由于氣泡的下部錨定在噴嘴上時，氣泡的上部向上移動，氣泡和噴嘴之間逐漸形成頸部并不斷拉伸，在t=36ms時，頸部發生夾斷；隨著蒸汽的不斷供應，蒸汽氣泡再次與噴嘴連通形成蒸汽柱；t為39.5～45ms時，蒸汽柱持續生長并穿透氣泡表面，在t=47ms時，達到最大體積；t為49～49.6ms時，氣泡與噴嘴發生分離并完成潰滅。圖3（b）中：流量為1.15m3/h時，氣泡表面出現波紋；隨著氣泡生長，t為25～32.5ms時，氣泡開始發生頸縮；t為35～39ms時，周圍液體在蒸汽射流卷吸夾帶作用下涌入氣泡內部并撞擊氣泡表面，在氣泡表面形成小凸起，使氣泡加速冷凝，表面變得粗糙；t為42.5～44.3ms時，可以觀察到明顯的螺旋狀氣泡結構，氣泡從噴嘴脫離后加速冷凝，并有小氣泡從氣泡表面分裂出來。流量繼續增加至1.76m3/h時，圖3（c）中氣泡表面擾動增加；初始時刻，上一個氣泡從噴嘴分離時使下一個氣泡頂部形成尖端；隨著氣泡生長，尖端在氣泡表面形成凸起并發生不規則演化（t為15～23ms）；t為24.6～34ms時，頂部凸起先與主體氣泡分離并冷凝消失，而主體氣泡在射流飛濺撞擊作用下繼續冷凝至結束。

過渡氣泡機制是介于光滑生長氣泡和粗糙氣泡之間的狀態，不同質量流量下氣泡過渡機制如圖4所示。隨著流量增大，蒸汽射流速度增大。在這個機制下，氣泡表面擾動加劇，冷凝過程伴隨著氣泡形狀的快速變化，但不如粗糙氣泡潰滅那樣劇烈，冷凝初期可以觀察到氣泡頂端凸起螺旋向上生長的現象。圖4（a）中：t為9.6ms時，凸起發生局部冷凝，t為12.6～14.5ms時，氣泡繼續生長并再次形成新的凸起；隨后，凸起在氣泡頂部發生脫落并冷凝消失，t為15.6～17.3ms時氣泡界面變得粗糙；t為17.8～18.1ms時，氣泡從噴嘴分離后潰滅形成微氣泡云，并在t=18.3ms時發生回彈。在圖4（b）中：t=3.9ms，氣泡凸起冷凝消失，氣泡繼續生長但未形成新的凸起；t=10.1ms時氣泡達到最大體積；t=14ms時，氣泡頸部夾斷，與噴嘴發生分離，t=14.2ms時潰滅至最小體積；在潰滅后期，t=14.4，14.8ms時，氣泡發生兩次回彈。

圖5為粗糙生長氣泡機制，在該機制下，蒸汽射流流動對周圍液體產生劇烈擾動，使液體中充滿小氣泡。較強的冷凝作用使氣泡冷凝時間縮短，氣泡表面形成較強的毛細波，難以清晰捕捉，同時，氣泡潰滅階段回彈次數增多。文獻［7］研究表明，隨著蒸汽流量的增大，氣泡與過冷水之間的剪切應力變大，氣泡內部的湍流更加強烈，氣泡周圍沒有足夠的時間逐漸形成穩定的熱場，因此氣泡發生劇烈變形并形成強烈的表面波。圖5（a）中t=0.5ms和圖5（b）中t=0.4ms時，在周圍環境壓力作用下，蒸汽氣泡會先發生塌縮現象，隨著蒸汽的連續供應，氣泡逐漸生長并發生頸縮。圖5（a）中t=5.7ms和圖5（b）中t=3.9ms時，氣泡在從噴嘴分離后潰滅成氣泡云，在潰滅階段，Gs=2.72m3/h時發生2次回彈，Gs=3.8m3/h時發生3次回彈。與圖5（a）相比，圖5（b）中潰滅階段形成的微氣泡云的體積增大，這是由于，氣泡的非球形潰滅引起微射流［27］，圖5（b）中可以觀察到明顯的渦環結構，潰滅結束后，渦環結構仍未消失，t=5.2～6.3ms時在液體中保持上升。

不同蒸汽質量流量下氣泡半徑演化如圖6所示。隨著蒸汽質量流量的增加，氣泡冷凝時間縮短，氣泡半徑先增大后減小，隨后再次增大。質量流量為0.2m3/h時，氣泡半徑增大到峰值后，曲線會出現一段波谷。這是因為：當t=36ms時，氣泡頸部夾斷，氣泡與噴嘴分離，體積減??；隨著蒸汽射流的持續供應，氣泡與噴嘴再次連接，氣泡體積再次增長并在t=47ms時達到最大體積；當質量流量大于2.31m3/h時，冷凝后期氣泡半徑出現反彈。

冷凝過程中氣泡生長速率、潰滅速率和氣泡質心最大遷移速度的計算結果如表2所示，氣泡生長速率定義為氣泡生長階段的半徑變化和生長時間的比值，氣泡潰滅速率為氣泡潰滅階段半徑變化和潰滅時間的比值?？梢钥闯?，流量從0.2m3/h增大到3.8m3/h時，氣泡生長速率增大，其中，Gslt;1.76m3/h時，氣泡生長速率較為接近。隨著流量增大，氣泡潰滅速率呈現增大趨勢，但Gs=2.31m3/h時的氣泡潰滅速率略大于Gs=2.52m3/h時的氣泡潰滅頻率。這是因為Gs=2.31m3/h時，氣泡凸起的發展使最大氣泡半徑增大，第一次潰滅時的氣泡半徑更小。隨著質量流量增加，氣泡質心最大遷移速度呈非線性變化，當質量流量Gs=1.76m3/h時，最大遷移速度最大，可達73.23m/s，當Gs=2.72m3/h時，氣泡遷移速度最小，約為24.31m/s。

2.2 蒸汽射流在不同方向上的冷凝現象

實驗中觀察到，在Gs=3.8m3/h時，氣泡冷凝過程中會偏離噴嘴中心軸線，在不同方向上發生冷凝，如圖7所示。在圖7（a）中t=3.1ms時紅色箭頭表明，蒸汽射流偏離噴嘴中心軸線向左射出；在圖7（b）中t=2.2ms時，蒸汽射流偏離噴嘴中心軸線向右射出并完成冷凝。

為了描述圖5（b）和圖7中氣泡冷凝的偏離方向，對冷凝過程中氣泡質心坐標進行記錄，如圖8所示。通過對所有時刻的偏離角度求平均，得到氣泡質心相對于噴嘴中心軸線的偏離角度分別為噴嘴左側1.58°， 噴嘴左側10.93°和噴嘴右側7.13°。圖8（a） 偏離角度為1.58°時，初始時刻，上一周期的氣泡脫離噴嘴時，位于噴嘴上的氣泡發生塌縮，氣泡質心先向下移動。隨著氣泡生長，氣泡質心上移。由于氣泡達到最大體積后開始收縮，氣泡質心遷移路徑出現拐點，開始向下移動。當氣泡從噴嘴分離時，徑向位移變化幅度明顯增加。同時，脫離噴嘴后的氣泡遷移路徑開始發生偏轉，產生近似之字形軌跡［28］。

Fu等［29］對靜止蒸汽射流凝結進行實驗研究，發現渦團脫落過程中，強烈的夾帶效應，會導致蒸汽射流尾部發生橫向擺動，但這種現象對冷凝產生的影響尚未闡釋?；谛D蒸汽射流凝結的實驗結果，本研究進一步分析了偏離角度對氣泡半徑、生長速率、潰滅速率和氣泡質心最大遷移速度的影響，偏離角度對氣泡半徑的影響如圖9所示。

偏離角度變化對氣泡半徑影響不大，潰滅過程中第一次回彈時的氣泡半徑略有減小，偏離角度增大有利于減少潰滅過程中回彈次數，當偏離角度為7.13°時，氣泡冷凝時間明顯縮短。不同偏離角度下氣泡生長速率、潰滅速率和氣泡質心最大遷移速度如表3所示。偏離角度對氣泡生長速率、潰滅速率和最大遷移速度呈非線性影響。當偏離角度為7.13°時，氣泡生長速率和最大遷移速度最大，潰滅速率最小。

2.3 氣泡潰滅頻率分析

過冷水中汽泡潰滅過程會誘發壓力波和水錘，通常會對相關設備造成嚴重的損壞［30］。因此，根據高速攝像機記錄的圖像進一步對氣泡潰滅頻率進行研究，氣泡潰滅頻率定義為氣泡連續兩次潰滅的時間間隔的倒數，可表示為

f=1（1/（N1－1））∑N－1i=1Δti（5）

式中：Δti為氣泡連續兩次潰滅的時間間隔；N1為氣泡潰滅的次數。

不同質量流量下氣泡潰滅頻率如表4所示。可以看出，隨著蒸汽質量流量增大，氣泡潰滅頻率增大，氣泡潰滅頻率為20～302Hz。當質量流量小于1.76m3/h時，氣泡潰滅頻率較為接近。

3 結 論

本文對水溫為80℃、質量流量為0.2～3.8m3/h的蒸汽射流自旋凝結特性進行實驗研究，并詳細分析了質量流量對旋轉氣泡的冷凝模式，以及氣泡半徑、生長速率、潰滅速率、最大質心遷移速度和潰滅頻率等參數的影響，可得如下結論。

（1）不同質量流量下，蒸汽射流自旋凝結可以識別為光滑生長氣泡機制、過渡機制和粗糙生長氣泡機制。在較大流量下，氣泡潰滅過程中將發生回彈并伴有渦環結構生成。在離心力作用下，旋轉氣泡凝結過程中可能出現頸部螺旋發展和氣泡頂部凸起不規則變形等典型行為。

（2）質量流量增加，旋轉氣泡冷凝時間縮短，氣泡生長速率增大，氣泡半徑、潰滅速率和質心最大遷移速度呈非線性變化，氣泡潰滅頻率為20～302Hz。

（3）同一流量下，氣泡可能在不同方向上發生凝結，氣泡從噴嘴分離后，呈現之字形運動軌跡。氣泡質心偏離噴嘴中心軸線角度增大對氣泡半徑影響不大，有利于減少潰滅過程中回彈次數，對氣泡生長速率、潰滅速率和最大遷移速度產生非線性影響。

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（編輯 趙煒）