周期力場下窄通道內(nèi)汽泡滑移實(shí)驗(yàn)研究

李少丹，譚思超，高璞珍，許 超，胡 健，鄭 強(qiáng)

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

周期力場下窄通道內(nèi)汽泡滑移實(shí)驗(yàn)研究

李少丹，譚思超，高璞珍，許 超，胡 健，鄭 強(qiáng)

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

為了探索海洋條件下的沸騰換熱機(jī)理，完善海洋條件下兩相流動(dòng)模型，采用高速攝影設(shè)備對搖擺狀態(tài)周期力場下矩形窄通道內(nèi)的汽泡滑移進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在搖擺運(yùn)動(dòng)的影響下，汽泡的滑移速度發(fā)生了周期性波動(dòng)，波動(dòng)的周期與搖擺運(yùn)動(dòng)周期基本一致；搖擺運(yùn)動(dòng)所引起的附加慣性力以及系統(tǒng)流量的波動(dòng)對汽泡滑移速度波動(dòng)影響不大，搖擺運(yùn)動(dòng)所引起的汽泡直徑變化是影響汽泡滑移速度波動(dòng)的主要原因。

周期力場；搖擺運(yùn)動(dòng)；汽泡滑移；矩形窄通道；流動(dòng)沸騰；海洋條件；汽泡直徑

受海洋條件或者地震的影響，流動(dòng)沸騰換熱設(shè)備會(huì)受到周期性變化的外力場作用。搖擺運(yùn)動(dòng)是周期性外力場作用的一種重要形式，它不僅會(huì)改變通道的流動(dòng)特性，還會(huì)使通道內(nèi)的換熱特性發(fā)生變化［1-5］。汽泡貼近加熱壁面的滑移運(yùn)動(dòng)是沸騰通道內(nèi)汽泡的一種重要運(yùn)動(dòng)形式，汽泡的滑移對通道換熱有著重要的影響［5-8］。外力場的改變所帶來的直接結(jié)果就是改變汽泡所處的加速度場，從而影響汽泡滑移過程中所受到的浮力。周期力場對流動(dòng)沸騰也會(huì)產(chǎn)生一些間接的影響，例如改變加熱表面附近的流場和溫度場分布，從而使通道內(nèi)的汽泡行為發(fā)生改變。目前已有研究大多是針對靜止?fàn)顟B(tài)下的汽泡滑移進(jìn)行的［9-12］，影響搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡滑移的主要因素尚未確定，本文將對搖擺周期力場影響下的汽泡滑移進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究所采用的實(shí)驗(yàn)回路如圖1所示，回路主要由可視化沸騰實(shí)驗(yàn)段、電加熱預(yù)熱器、管殼式冷凝器、穩(wěn)壓器、儲水箱、循環(huán)泵、體積流量計(jì)以及閥門和附屬管道組成。實(shí)驗(yàn)所用工質(zhì)為去離子水，對其中的不凝結(jié)氣體進(jìn)行排除之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)段通道為矩形窄通道，窄邊高度為2 mm。對實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的過冷沸騰汽泡采用高速攝影儀進(jìn)行拍攝，搖擺運(yùn)動(dòng)過程中攝像機(jī)的拍攝位置固定。高速攝影儀的布置方式、實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)以及汽泡圖像數(shù)據(jù)處理方法可參考文獻(xiàn)［10］。

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

本文搖擺實(shí)驗(yàn)在液壓驅(qū)動(dòng)搖擺實(shí)驗(yàn)平臺上完成，如圖2所示，圖中同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)段相對于搖擺臺的位置，通過控制電磁比例調(diào)節(jié)閥控制液壓桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)搖擺臺的正弦搖擺運(yùn)動(dòng)。在搖擺軸的中心處安裝有碼盤式角度傳感器，最小測量分度為0.01°，通過該角度傳感器可以監(jiān)控?fù)u擺臺的狀態(tài)，并且作為使搖擺臺進(jìn)行正弦運(yùn)動(dòng)的控制信號。

圖2 搖擺臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Configuration of the rolling plate

搖擺臺搖擺角度隨時(shí)間變化函數(shù)可表示為

式中：θ（t）為瞬時(shí)搖擺角度，θm為搖擺運(yùn)動(dòng)的最大角度，T0為搖擺周期，t為時(shí)間。 對上式進(jìn)行求導(dǎo)之后可以得到搖擺角速度與搖擺角加速度分別為

搖擺運(yùn)動(dòng)過程中涉及到正負(fù)角度的定義問題，本文中搖擺角度相對于實(shí)驗(yàn)段定義如圖3所示。即加熱壁面向下時(shí)定義為負(fù)角度，加熱壁面向上時(shí)定義為正角度。

圖3 搖擺運(yùn)動(dòng)角度的定義Fig.3 Definition of the rolling angle

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡滑移速度規(guī)律

搖擺運(yùn)動(dòng)條件下的汽泡滑移速度如圖4所示。系統(tǒng)壓力為0.2 MPa，質(zhì)量流量為454.2 kg／（m2· s），入口過冷度為30.98℃，熱流密度為115.8 kW／m2。搖擺周期分別為8 s和16 s，最大搖擺角度為10°和15°。為了更加清楚地研究搖擺對汽泡滑移的影響，圖中所給出的汽泡滑移速度為平均之后的值，每50幀圖片所得出的速度取一次平均，即圖中給出的是10 ms內(nèi)所有汽泡滑移速度的平均值，后面對搖擺運(yùn)動(dòng)條件下的其他汽泡參數(shù)采用類似的處理方法。

圖4 搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡滑移速度的變化Fig.4 Variation of the bubble sliding velocity under rolling motion

由圖4可見，汽泡滑移速度的波動(dòng)周期和搖擺運(yùn)動(dòng)的周期較為接近，汽泡滑移速度幾乎隨搖擺角度反向變化，汽泡滑移速度在搖擺角度為最大正角度時(shí)達(dá)到最小值，在搖擺角度為最大負(fù)角度時(shí)達(dá)到最大值。搖擺運(yùn)動(dòng)條件下汽泡速度在豎直狀態(tài)速度的上下波動(dòng)，但是汽泡速度的波動(dòng)并不嚴(yán)格按照簡諧規(guī)律進(jìn)行。圖中同時(shí)給出了豎直靜止?fàn)顟B(tài)下的汽泡滑移速度，在大部分時(shí)間內(nèi)，汽泡滑移速度在搖擺運(yùn)動(dòng)下要比豎直靜止?fàn)顟B(tài)下的汽泡速度大一些。

2.2 搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡速度波動(dòng)影響因素

搖擺運(yùn)動(dòng)所引入的非慣性加速度會(huì)改變汽泡所處的外力場，直接改變汽泡所受到的浮力，造成汽泡滑移速度的周期性變化。搖擺運(yùn)動(dòng)也可能會(huì)改變汽泡周圍液體的流動(dòng)，通過曳力的作用間接改變汽泡的滑移速度。在搖擺運(yùn)動(dòng)的過程中，汽泡的有效直徑有可能會(huì)發(fā)生變化，由此同時(shí)改變汽泡所受到的曳力以及浮力的大小，進(jìn)而對汽泡的滑移產(chǎn)生影響。下面將從這幾個(gè)方面對搖擺運(yùn)動(dòng)條件下的汽泡滑移進(jìn)行分析。

將汽泡所受浮力分別沿流動(dòng)方向和垂直于加熱壁面方向進(jìn)行分解。如下所示：

式中：α為汽泡所在位置與搖擺軸心連線和搖擺臺之間的夾角，LR為搖擺軸心與汽泡所在位置間的距離，ρl為液體密度，Vb為汽泡體積，g為重力加速度，vb為汽泡速度。在這里應(yīng)該當(dāng)指出，在汽泡上升的過程中，LR與α的大小會(huì)發(fā)生變化，上式并未對此進(jìn)行嚴(yán)格的考慮，但是由于本實(shí)驗(yàn)中拍攝窗口較小，汽泡所在的位置相對比較固定，所以采用上式并不會(huì)產(chǎn)生太大的誤差。

從浮力角度來講，汽泡的滑移速度將主要受到y(tǒng)方向浮力的影響，在汽泡直徑不發(fā)生變化的情況下，搖擺運(yùn)動(dòng)條件下浮力沿y方向的分量與豎直條件下汽泡所受浮力的比值變化如圖5示，其中Fy為豎直靜止?fàn)顟B(tài)下同樣大小汽泡所受的浮力。

從圖5中可以看出搖擺運(yùn)動(dòng)條件下汽泡所受的浮力的要小于豎直狀態(tài)，浮力變化的幅度隨著搖擺最大角度的增大而增大，隨搖擺周期的增大而減小，汽泡所受的浮力的大小的變化幅度在5%以內(nèi)。汽泡所受浮力變化的周期與搖擺周期有所不同，出現(xiàn)了復(fù)合波動(dòng)，復(fù)合的頻率為搖擺運(yùn)動(dòng)頻率的二倍。由于汽泡的滑移速度與其所受到的浮力成正比，因此如果搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡的滑移速度主要受非慣性加速度影響，那么滑移速度的變化應(yīng)該與此時(shí)浮力的變化趨勢相同。然而，對比圖4可以發(fā)現(xiàn)，汽泡的滑移速度受非慣性加速度影響較小，因此汽泡滑移速度的變化可以歸結(jié)為汽泡所受曳力的影響。

圖5 搖擺運(yùn)動(dòng)中汽泡所受浮力的變化Fig.5 Bubble buoyancy frces under rolling motion

搖擺運(yùn)動(dòng)過程中液體流動(dòng)速度是否發(fā)生波動(dòng)以及波動(dòng)幅度的大小主要取決于驅(qū)動(dòng)壓頭、流動(dòng)阻力以及搖擺引入的附加作用之間的關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓頭比搖擺運(yùn)動(dòng)附加作用大很多時(shí)，搖擺運(yùn)動(dòng)基本不會(huì)引起流量波動(dòng)，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓頭與搖擺運(yùn)動(dòng)附加作用相當(dāng)或者較小時(shí)，搖擺運(yùn)動(dòng)就會(huì)引入較為明顯的流量波動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)裝置中，液體主流流速在搖擺運(yùn)動(dòng)條件和豎直靜止?fàn)顟B(tài)下的數(shù)值如圖6所示。

同樣對比圖6與圖4中數(shù)據(jù)的變化趨勢與搖擺角度之間的關(guān)系，可以得出以下結(jié)論，搖擺所引起的液體流動(dòng)速度變化與汽泡速度變化的趨勢基本相反，也就是說，在搖擺運(yùn)動(dòng)條件下液體流動(dòng)速度的增加反而引起汽泡速度的減小。圖中所示的液體速度波動(dòng)幅度較小，最大相對波動(dòng)幅度不到2%，而汽泡滑移速度波動(dòng)幅度在60%左右。因此搖擺運(yùn)動(dòng)所致的流體流量波動(dòng)并不是影響汽泡滑移速度波動(dòng)的主要因素。

圖6 搖擺運(yùn)動(dòng)下局部流速的變化Fig.6 Variation of the local fluid velocity under rolling motion

下面對搖擺運(yùn)動(dòng)過程中的汽泡等效直徑進(jìn)行考察，圖7給出了搖擺運(yùn)動(dòng)條件下的汽泡等效直徑隨搖擺角度變化的數(shù)據(jù)。汽泡等效直徑隨搖擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了周期性變化，波動(dòng)周期基本與搖擺運(yùn)動(dòng)周期保持一致。搖擺運(yùn)動(dòng)條件下汽泡等效直徑的平均值要比豎直狀態(tài)大一些，汽泡等效直徑在搖擺角度最小時(shí)，即加熱面向下最大負(fù)角度時(shí)達(dá)到最大值，汽泡等效直徑在搖擺角度最大時(shí)，即加熱面向上最大正角度時(shí)達(dá)到最小值。對比圖4可以看出，汽泡滑移速度的變化與汽泡直徑的變化基本保持一致。由于汽泡較小時(shí)，汽泡的滑移速度與汽泡的直徑成正比，因此可以得出結(jié)論，在窄通道過冷沸騰搖擺運(yùn)動(dòng)條件下，汽泡等效直徑的變化是影響汽泡滑移速度的重要因素。

圖7 搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡直徑的變化Fig.7 Variation of bubble diameter under rolling motion

影響搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡直徑變化的因素很多，對于搖擺這樣的非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)更是如此。由于本實(shí)驗(yàn)條件下入口過冷度以及表面熱流密度基本保持不變，因此影響搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡直徑波動(dòng)的主要因素有質(zhì)量流量、壁面過熱度以及當(dāng)?shù)鼐植繅毫Φ淖兓?。如前所述，回路采用?qiáng)迫循環(huán)，因此回路流量變化不大。與此同時(shí)搖擺運(yùn)動(dòng)下的表面過熱度以及入口壓力都發(fā)生了周期性變化，壁面過熱度的波動(dòng)幅度也比較小（小于2℃），而入口壓力的變化幅度可以達(dá)到10%左右，如圖8所示。系統(tǒng)壓力的變化造成了壁面汽泡生長情況的不同，隨著壓力的升高汽泡生長速度有所降低，汽泡直徑減小，即通道內(nèi)汽泡直徑的變化趨勢與入口壓力的變化趨勢相反。另一方面，搖擺運(yùn)動(dòng)過程中加熱壁面向上時(shí)，在垂直于加熱面方向浮力分量的作用下汽泡底部的接觸圓直徑相比于加熱面向下時(shí)要小一些，根據(jù)微液層蒸發(fā)理論此時(shí)的微液層蒸發(fā)量較小，由此汽泡等效直徑在加熱面向上時(shí)較小，反之亦然。根據(jù)以上分析，搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡直徑的變化主要受局部壓力的波動(dòng)以及加熱壁面朝向不同所引起接觸圓直徑的變化的影響。有關(guān)各個(gè)參數(shù)的具體影響還需進(jìn)一步研究。

圖8 搖擺運(yùn)動(dòng)下入口壓力的變化Fig.8 Variation of the inlet pressure under rolling motion

綜合以上分析，搖擺運(yùn)動(dòng)條件下的汽泡滑移速度產(chǎn)生了周期性波動(dòng)，汽泡所在外力場、汽泡周圍流體的速度以及汽泡的等效直徑都發(fā)生了周期性變化，然而非慣性力場所導(dǎo)致的浮力變化和汽泡周圍流體速度的變化對汽泡滑移速度的影響不大，決定汽泡滑移速度變化的是汽泡等效直徑的變化。也就是說，搖擺運(yùn)動(dòng)改變了過冷沸騰窄通道的入口壓力以及汽泡底部微液層蒸發(fā)面的大小，進(jìn)而使的汽泡等效直徑發(fā)生了周期性波動(dòng)，由此間接對汽泡的滑移速度產(chǎn)生了影響。

4 結(jié)論

本文針對搖擺運(yùn)動(dòng)周期外力場作用下窄通道內(nèi)的汽泡滑移進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后得到了以下主要結(jié)論：

1）搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡滑移速度產(chǎn)生了周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期與搖擺運(yùn)動(dòng)周期基本一致。

2）搖擺運(yùn)動(dòng)過程中當(dāng)?shù)匾后w流速和汽泡所在力場都發(fā)生了周期性變化，然而這些并非影響搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡滑移速度波動(dòng)的主要因素。

3）決定搖擺運(yùn)動(dòng)下汽泡滑移速度波動(dòng)的主要因素是汽泡等效直徑的變化，搖擺運(yùn)動(dòng)所造成的入口壓力波動(dòng)以及汽泡底部微液層蒸發(fā)面直徑的變化是造成汽泡等效直徑變化的主要原因。

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（責(zé)任編輯：陳峰）

Experimental study of bubble sliding in a narrow channel in a periodic force field

LI Shaodan，TAN Sichao，GAO Puzhen，XU Chao，HU Jian，ZHENG Qiang
（Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The purpose of this paper is to explore the mechanism of the boiling heat transfer and to improve the twophase flow model under ocean conditions.Bubble sliding in a narrow rectangular channel in a rolling motion was experimentally studied by using the high speed camera in this paper.The results show that the bubble sliding velocity was periodically changed with the rolling motion and the period of the variation was similar with that of the rolling motion.The effects of additional inertial acceleration on the buoyancy force and the variation of the flow rate caused by the rolling motion will not influence the fluctuation of the bubble sliding velocity in the periodic force field.The variation of the bubble size caused by the rolling motion is the key factor that determines the fluctuation of the bubble sliding velocity.

periodic force field；rolling motion；bubble sliding；narrow rectangular channel；flow boiling；ocean condition；bubble diameter

10.3969／j.issn.1006-7043.201301035

TL331；TK124

A

1006-7043（2014）08-1040-05

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.html

2013-01-19. 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-06-27 15：24：45.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（HEUCFZ1008）.

李少丹（1988-），男，博士研究生；譚思超（1979-），男，教授，博士生導(dǎo)師.

譚思超，E-mail：tansichao＠hrbeu.edu.cn.