流動(dòng)沸騰條件下窄通道內(nèi)的汽泡生長(zhǎng)和冷凝

李少丹，譚思超，許 超，高璞珍，莊乃亮

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

流動(dòng)沸騰換熱由于具有較高的換熱效率而在眾多換熱設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，小尺寸換熱通道的使用使換熱系數(shù)得到了進(jìn)一步的提高，同時(shí)也有利于設(shè)備的小型化和緊湊化［1］。盡管眾多研究者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，然而由于沸騰現(xiàn)象本身所具有的復(fù)雜特性和非線性特性，通道內(nèi)的汽泡行為難以預(yù)測(cè)。通道內(nèi)汽泡的生長(zhǎng)和冷凝對(duì)換熱系數(shù)以及阻力系數(shù)的確定具有重要的意義，決定了通道的換熱和流動(dòng)特性。此外由于空泡份額的大小會(huì)影響到核反應(yīng)堆的功率水平，因此汽泡的生長(zhǎng)和冷凝也關(guān)系到反應(yīng)堆的安全性［2］。

本文采用高速攝影裝置對(duì)過(guò)冷沸騰窄通道內(nèi)的汽泡生長(zhǎng)和冷凝特性進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)，根據(jù)汽泡所表現(xiàn)出的不同特性進(jìn)行分類研究，以進(jìn)一步完善窄通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰模型。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究所采用的過(guò)冷流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)回路主要由可視化實(shí)驗(yàn)段、預(yù)熱器、冷凝器、穩(wěn)壓器、儲(chǔ)水箱以及循環(huán)泵構(gòu)成。預(yù)熱器為電加熱預(yù)熱器，用以保持實(shí)驗(yàn)段的入口溫度。穩(wěn)壓器為氮?dú)夥€(wěn)壓器，即上部空間充滿可調(diào)節(jié)壓力的氮?dú)?，以此?lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)回路壓力。窄通道由石英玻璃觀察窗和加熱板構(gòu)成，通道尺寸為40mm×2mm。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流量采用電磁流量計(jì)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)段入口、出口和加熱壁面的溫度均采用T型鎧裝熱電偶測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中加熱壁面內(nèi)壁溫度通過(guò)結(jié)合所測(cè)外壁溫度和加熱功率并根據(jù)穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱方程計(jì)算得出。加熱壁面的熱流密度則通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)段加熱面通過(guò)的電流以及兩端的電壓確定。實(shí)驗(yàn)中的汽泡圖像通過(guò)FASTCAM高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，拍攝速度為5 000 幀／s，曝光速度為1／5 000s，采用Sigma 105mm 鏡頭達(dá)到所需的放大倍數(shù)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置拍攝分辨率為360×512像素。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路示意圖Fig.1 Schematic of experiment loop

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)汽泡所表現(xiàn)出的特性，本文將實(shí)驗(yàn)中所觀察到的汽泡分為兩類。兩類汽泡在初期的形成和隨后的發(fā)展過(guò)程中均表現(xiàn)出了較大的不同，下面將分別對(duì)這兩種類型汽泡的生長(zhǎng)和冷凝特性進(jìn)行討論。

2.1 第1類汽泡的生長(zhǎng)和冷凝特性

實(shí)驗(yàn)中所拍攝到的第1 類汽泡如圖2 所示，汽泡在核化點(diǎn)產(chǎn)生之后沿著主流流體進(jìn)行滑移運(yùn)動(dòng)。汽泡直徑在1.2～1.6ms之間達(dá)到最大，從圖中可看出此時(shí)汽泡的下沿達(dá)到核化點(diǎn)的位置處，即此時(shí)汽泡中心距核化點(diǎn)的位置接近于最大汽泡直徑的1／2。此后，汽泡在向上滑移的過(guò)程中直徑開(kāi)始減小，說(shuō)明汽泡的蒸發(fā)量開(kāi)始大于冷凝量。至3.8ms時(shí)汽泡仍基本保持為球形，而在汽泡冷凝的末期，汽泡出現(xiàn)了快速冷凝所導(dǎo)致的汽泡破碎現(xiàn)象，最后汽泡在5ms處完全冷凝并消失。

圖2 第1類汽泡的生長(zhǎng)和冷凝照片F(xiàn)ig.2 Growth and condensation images of the first type bubbles

同一個(gè)核化點(diǎn)不同時(shí)期所產(chǎn)生汽泡的生長(zhǎng)與冷凝曲線如圖3所示，圖中所有汽泡均處于同一熱工工況（測(cè)量于同一個(gè)拍攝序列）。從圖3可看出，盡管所有宏觀熱工參數(shù)均相同，但由于汽泡生長(zhǎng)和冷凝時(shí)周圍條件存在一定的擾動(dòng)，同時(shí)也存在不同汽泡之間的相互影響，因此汽泡生長(zhǎng)冷凝特性有一定的差異。

圖3 同一核化點(diǎn)處第1類汽泡的直徑變化Fig.3 Variation of diameters for the first type bubbles at same nucleation site

Zuber［3］對(duì)汽泡生長(zhǎng)方程中的傳熱項(xiàng)進(jìn)行了修正，考慮了汽泡受周圍流體的冷卻傳熱作用，同時(shí)假定蒸汽與周圍液體之間溫度梯度的大小等于加熱表面與汽泡周圍液體之間的溫度梯度，即傳遞給汽泡本身的熱量要小于從加熱表面?zhèn)鬟f至過(guò)熱液體的熱量。根據(jù)這種思想得出了非均勻溫度場(chǎng)內(nèi)汽泡的直徑與生長(zhǎng)時(shí)間之間的關(guān)系：

其中：Rm為汽泡的最大半徑；tm為汽泡最大直徑出現(xiàn)的時(shí)刻。Zuber關(guān)系式與汽泡生長(zhǎng)階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的一致性，而在汽泡冷凝階段則出現(xiàn)了較大的偏離（圖4）。這主要是因?yàn)閆uber關(guān)系式是在池式沸騰條件下提出的，與本文的過(guò)冷流動(dòng)沸騰有所不同。盡管如此，冷凝階段的汽泡直徑也均處于Zuber關(guān)系式預(yù)測(cè)值的兩側(cè)。

與Zuber關(guān)系式類似，Akiyama等［4］將過(guò)冷沸騰通道中汽泡直徑的變化與汽泡所能達(dá)到的最大直徑通過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式聯(lián)系到了一起，即：

其中：tb為汽泡壽期；K 為常數(shù)。在過(guò)冷沸騰條件下K 取為3，N 的大小決定了最大汽泡直徑出現(xiàn)的時(shí)間，即：

本研究中0.24＜tm／tb＜0.36，平均值為0.31。式（2）計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的比較如圖5所示，圖中同時(shí)給出了Faraji等［5］和Prodanovic等［6］確定的K 值的預(yù)測(cè)結(jié)果，分別取2.2和2.5。

圖4 實(shí)驗(yàn)值與關(guān)系式（1）預(yù)測(cè)值的比較Fig.4 Comparison of experimental result andpredicted result of correlation（1）

圖5 實(shí)驗(yàn)值與關(guān)系式（2）預(yù)測(cè)值的比較Fig.5 Comparison of experimental result and predicted result of correlation（2）

從圖5可看出，K 值較小時(shí)，汽泡生長(zhǎng)階段與式（2）符合較好，而在較大K 值時(shí)汽泡冷凝階段（汽泡直徑減小時(shí)）與關(guān)系式的預(yù)測(cè)值較為接近，該關(guān)系式對(duì)汽泡冷凝后期的預(yù)測(cè)性較差。對(duì)比圖4和5可發(fā)現(xiàn)，式（2）對(duì)汽泡初期生長(zhǎng)階段的預(yù)測(cè)要優(yōu)于式（1），然而式（1）在預(yù)測(cè)汽泡冷凝時(shí)則更加準(zhǔn)確。此外應(yīng)注意到，由于汽泡后期的快速冷凝破碎過(guò)程，這兩個(gè)關(guān)系式對(duì)該階段的預(yù)測(cè)性均較差。

在汽泡的生長(zhǎng)過(guò)程中，汽泡底部微液層的蒸發(fā)速率具有非常重要的作用，決定了汽泡的生長(zhǎng)速度，因而對(duì)汽泡的直徑變化有重要的影響。受照明條件及窄通道特性的限制，本實(shí)驗(yàn)不能直接從側(cè)面觀察到汽泡底部接觸圓直徑的大小，但可從汽泡的正面圖片獲得反映汽泡底部接觸圓的信息，如圖6所示，本文使用圖中測(cè)量得到的直徑來(lái)表示汽泡生長(zhǎng)-冷凝過(guò)程中接觸圓直徑的變化。

圖6 汽泡底部接觸圓Fig.6 Contact area beneath bubble

汽泡的直徑變化以及底部接觸圓直徑Dc的變化如圖7所示，圖中同時(shí)給出了接觸圓直徑與汽泡直徑的比值。汽泡在2.2ms處達(dá)到最大直徑，隨后開(kāi)始發(fā)生冷凝并最終消失。汽泡底部接觸圓直徑的變化與汽泡的變化規(guī)律類似，在1.4ms處達(dá)到最大值，隨后一直下降到零。在汽泡冷凝的后期，圖中接觸圓直徑的變化出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。在接觸圓直徑達(dá)到最大值之后的0.8ms處汽泡直徑達(dá)到最大值，這說(shuō)明汽泡接觸圓直徑開(kāi)始減小之后汽泡的蒸發(fā)速率仍大于冷凝速率，且持續(xù)了一段時(shí)間。從圖中還可看出，接觸圓直徑與汽泡直徑的比值一直在減小，由于汽泡的冷凝速率隨汽泡表面積的增加而增大，因此相對(duì)而言汽泡的蒸發(fā)速率所占的份額在不斷降低。

圖7 汽泡接觸直徑的變化Fig.7 Variation of bubble contact diameter

2.2 第2類汽泡的生長(zhǎng)和冷凝特性

實(shí)驗(yàn)中所觀察到的第2 類汽泡如圖8 所示，其中包括了核化點(diǎn)直接產(chǎn)生的汽泡和上游滑移而來(lái)的汽泡。從圖中可看出，核化點(diǎn)產(chǎn)生汽泡的頻率較高，滑移一段時(shí)間之后汽泡所能達(dá)到的直徑較?。ㄏ啾扔诘?類汽泡），且汽泡不易冷凝。對(duì)于上游滑移而來(lái)的汽泡，由于滑移的距離較長(zhǎng)，汽泡的尺寸明顯要大些。與核化點(diǎn)產(chǎn)生的汽泡相同，汽泡在滑移過(guò)程中直徑變化較小，且基本不發(fā)生冷凝。第2類汽泡區(qū)別于第1類汽泡的特點(diǎn)就是汽泡滑移過(guò)程中的行為，即汽泡直徑在離開(kāi)核化點(diǎn)之后變化緩慢，發(fā)生冷凝消失的概率較小。

圖8 第2類汽泡的圖像序列Fig.8 Bubble image sequence of the second type bubbles

與第1類汽泡類似，不同時(shí)刻第2類汽泡的直徑變化也有所不同，如圖9所示。圖中所有汽泡均處于同一熱工工況，而且所有汽泡均產(chǎn)生自同一個(gè)核化點(diǎn)。從圖中可看出，汽泡產(chǎn)生之后會(huì)經(jīng)過(guò)一段較快的生長(zhǎng)（前2ms），之后汽泡直徑的變化趨于平緩。盡管部分汽泡的直徑會(huì)有略微減小的現(xiàn)象，然而在所觀察的范圍內(nèi)，汽泡很少會(huì)發(fā)生冷凝消失的現(xiàn)象。由于局部參數(shù)的波動(dòng)，不同汽泡之間的直徑變化有很大的差異。盡管如此，大多數(shù)汽泡都在初期快速生長(zhǎng)，遠(yuǎn)離核化點(diǎn)之后其直徑變化較慢。

圖9 核化點(diǎn)處汽泡的直徑變化Fig.9 Variation of bubble diameter at nucleation site

由于不同時(shí)刻之間的汽泡生長(zhǎng)具有較為強(qiáng)烈的隨機(jī)特性，因此需對(duì)其進(jìn)行平均以反映其變化規(guī)律。圖10示出了汽泡直徑的實(shí)際值以及所有汽泡直徑的平均值，對(duì)其采用指數(shù)關(guān)系式進(jìn)行擬合，即：

其中，K 和n 為常數(shù)，n=0.37。從圖中可看出，指數(shù)關(guān)系式可較好地對(duì)第2類汽泡的生長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。一般而言，n會(huì)隨著工況而變化，具體可參考Chen等［7］的研究結(jié)果，本文將不對(duì)其做進(jìn)一步的討論。

部分上游滑移汽泡進(jìn)入觀察窗之后也會(huì)不斷生長(zhǎng)，如圖11的No.1和No.2汽泡。盡管圖中的兩個(gè)汽泡生長(zhǎng)速度有所差別，然而它們的生長(zhǎng)均基本近似符合線性規(guī)律，即在拍攝的時(shí)間內(nèi)汽泡是線性生長(zhǎng)的。圖中同時(shí)給出了其他類型的汽泡直徑變化規(guī)律，No.3汽泡先縮小一段時(shí)間，到一定程度之后又開(kāi)始長(zhǎng)大。與此相反，No.4汽泡的直徑先出現(xiàn)了略微的增加，隨后一直減小直到運(yùn)動(dòng)出觀察窗的范圍。No.5汽泡的直徑甚至一直在減小，說(shuō)明該汽泡在滑移過(guò)程中的冷凝量一直大于蒸發(fā)量。圖中不同汽泡直徑變化的不同形式表明了汽泡對(duì)周圍流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的敏感性。由于第2類汽泡的滑移距離較長(zhǎng)，汽泡之間的相互作用也會(huì)使汽泡的直徑變化變得比較復(fù)雜。此外應(yīng)指出，較長(zhǎng)的滑移時(shí)間和距離所造成的汽泡之間相互聚合的概率的增加也是汽泡直徑增加的重要原因。

圖10 第2類汽泡生長(zhǎng)的預(yù)測(cè)Fig.10 Prediction of growth for the second type bubbles

圖11 第2類汽泡的直徑變化Fig.11 Diameter variation of the second type bubbles

3 結(jié)論

本文研究了窄通道內(nèi)的過(guò)冷沸騰汽泡行為，根據(jù)汽泡生長(zhǎng)、滑移和冷凝特性的明顯差異可將其分為兩類分別進(jìn)行研究。第1類汽泡生長(zhǎng)速度較快，且在滑移離開(kāi)核化點(diǎn)之后的一段距離后迅速冷凝消失，其生長(zhǎng)和冷凝可采用Zuber關(guān)系式或Akiyama關(guān)系式進(jìn)行預(yù)測(cè)。而第2類汽泡的生長(zhǎng)速度較慢，且在滑移很長(zhǎng)一段距離后也不會(huì)冷凝消失，表現(xiàn)出了更長(zhǎng)的存活時(shí)間，其生長(zhǎng)階段直徑的變化與指數(shù)關(guān)系式吻合較好。此外，汽泡生長(zhǎng)或冷凝過(guò)程中表現(xiàn)出了較強(qiáng)的隨機(jī)特性，說(shuō)明汽泡很容易受到周圍環(huán)境變化的影響，因此進(jìn)一步的研究需考慮這些因素。

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