窄通道內(nèi)的汽泡核化以及滑移汽泡的影響

李少丹，譚思超，高璞珍，許 超，高 風(fēng)

(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)

汽泡的核化是沸騰汽泡產(chǎn)生的根源，在持續(xù)熱量輸入的情況下，液體的溫度會(huì)不斷上升并超過飽和溫度，隨后發(fā)生相變而產(chǎn)生汽泡。汽泡核化密度及汽泡核化頻率的確定對(duì)沸騰換熱研究有重要意義，決定了通過相變所交換的熱量以及ONB點(diǎn)(沸騰起始點(diǎn))的位置。汽泡的核化也是兩流體模型中界面參數(shù)中源項(xiàng)的重要組成部分，對(duì)界面輸運(yùn)方程的求解起著至關(guān)重要的作用[1]。

為確定加熱表面上的核化點(diǎn)密度及其分布情況，眾多研究者對(duì)此展開了大量研究[2-5]。確定核化點(diǎn)密度的研究方法主要有兩種：一種是首先確定影響核化點(diǎn)密度的主要因素，隨后結(jié)合這些影響因素總結(jié)出核化密度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；第二種則是結(jié)合汽泡核化機(jī)理進(jìn)行的，認(rèn)為汽泡在壁面上的核化主要由有效核化點(diǎn)決定，通過確定有效核化點(diǎn)的范圍以及壁面的微觀結(jié)構(gòu)便可求出核化密度的大小。窄通道過冷流動(dòng)沸騰與池式沸騰汽泡核化有所不同，潘良明等[6]和李佳等[7]分析了窄通道內(nèi)質(zhì)量流速和熱流密度對(duì)汽泡核化的影響，發(fā)現(xiàn)在相同熱流密度條件下，質(zhì)量流速對(duì)核化密度幾乎無影響，核化密度隨流道尺寸的減小而增大。

然而到目前為止，窄通道內(nèi)的核化機(jī)理及其影響因素尚未完全確定。為了深入研究窄通道內(nèi)的沸騰行為，本文擬通過實(shí)驗(yàn)觀察不同壓力下過冷沸騰窄通道內(nèi)核化點(diǎn)的分布情況，并對(duì)產(chǎn)生這種分布的主要原因進(jìn)行分析，以確定汽泡滑移對(duì)汽泡核化點(diǎn)分布的影響。

1 實(shí)驗(yàn)回路及高速攝影裝置

實(shí)驗(yàn)在閉式回路中進(jìn)行，以去離子水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)。實(shí)驗(yàn)回路(圖1)主要由可視化實(shí)驗(yàn)段、循環(huán)泵、預(yù)熱器、冷凝器、穩(wěn)壓器、測(cè)量?jī)x表以及附屬管道組成，系統(tǒng)壓力通過控制穩(wěn)壓器內(nèi)氮?dú)鈮毫?shí)現(xiàn)，系統(tǒng)壓力分別取0.1 MPa和0.2 MPa。圖2示出高速攝影裝置的布置方式及實(shí)驗(yàn)段橫截面示意圖。對(duì)實(shí)驗(yàn)段的觀察拍攝使用FASTCAM SA5高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，其最高拍攝速度可達(dá)106幀/s，攝像機(jī)鏡頭采用Sigma微距鏡頭(焦距為105 mm，光圈為2.8)。攝像機(jī)固定在一個(gè)二維導(dǎo)軌上，可分別沿垂直于流道和垂直于加熱面的方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拍攝位置的變化。兩個(gè)最大功率為150 W的光纖冷光光源同時(shí)安裝在導(dǎo)軌上隨攝像機(jī)同時(shí)移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中可通過調(diào)節(jié)光源功率以滿足高速拍攝的需求，通過調(diào)節(jié)光源的照射位置使拍攝到的圖片的對(duì)比度達(dá)到最大，以使圖像處理結(jié)果更加容易且更加準(zhǔn)確。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路示意圖

圖2 高速攝影裝置及實(shí)驗(yàn)段

在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定攝影儀拍攝的采樣速度為5 000幀/s，系統(tǒng)壓力為0.1 MPa時(shí)圖像分辨率設(shè)置為576×360像素，對(duì)應(yīng)實(shí)際拍攝面積約為30 mm×19 mm，系統(tǒng)壓力為0.2 MPa時(shí)圖像分辨率設(shè)置為512×360像素，對(duì)應(yīng)實(shí)際拍攝面積約為11 mm×8 mm。實(shí)驗(yàn)段為單面電加熱的窄縫通道，窄縫高度為2 mm。實(shí)驗(yàn)段主要由壓緊塊、下承壓體、石英玻璃可視窗、不銹鋼電加熱板、背面冷卻回路以及密封裝置構(gòu)成，由電加熱板上的電極通過低壓大電流直流電源在背面實(shí)現(xiàn)單面加熱。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 汽泡的滑移原因及其分析

一般而言，欲確定壁面產(chǎn)生的汽泡是否脫離加熱壁面需從平行于加熱壁面的方向進(jìn)行觀察。本實(shí)驗(yàn)由于通道窄邊距離很小，從平行于加熱壁面的方向即側(cè)面對(duì)氣泡進(jìn)行觀察不僅受到照明條件的限制，而且由于通道的寬高比(大于20)較大，側(cè)面拍攝會(huì)有很多汽泡相互重疊而增加識(shí)別難度，因此本實(shí)驗(yàn)中汽泡圖像的采集從垂直于加熱壁面的方向即正面進(jìn)行，如圖2所示。盡管不能從側(cè)面直接觀察汽泡是否脫離加熱壁面，但如果汽泡未脫離加熱壁面，則可從正面觀察到汽泡底部與加熱壁面的接觸圓，如圖3所示。文獻(xiàn)[8]指出：由于熱邊界層溫度梯度導(dǎo)致折射率的變化所引起的幻影效應(yīng)的存在，該面積并不能反映汽泡實(shí)際的接觸圓面積的大小，因此本文并未對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量，但可根據(jù)其有無來判斷汽泡是否脫離加熱壁面。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，大多數(shù)汽泡底部均有與加熱壁面相互接觸而形成的接觸圓，因此可認(rèn)為所觀察到的大多數(shù)汽泡均未發(fā)生浮升。

圖3 滑移汽泡的底部接觸圓

汽泡未脫離加熱壁面的主要原因如下：1) 對(duì)于較低壓力條件，汽泡在快速生長(zhǎng)的過程中受到指向壁面方向的非穩(wěn)態(tài)曳力(即生長(zhǎng)力)的影響，生長(zhǎng)力的大小與汽泡的生長(zhǎng)速度呈正比[9]，根據(jù)Chen等[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，汽泡在較低的壓力下生長(zhǎng)速度較快，受到的生長(zhǎng)力更大些，因此在較大的生長(zhǎng)力作用下汽泡難以脫離加熱壁面；2) 由于本實(shí)驗(yàn)的流道較窄，在很短的時(shí)間內(nèi)汽泡頂部就會(huì)接觸到非加熱壁面，即石英玻璃可視面，不滿足汽泡浮升所需的大空間條件；3) 即使汽泡直徑未能達(dá)到通道高度，與常規(guī)通道不同，較窄的流道壁面所產(chǎn)生的壁面潤(rùn)滑力也會(huì)起到一定的作用，壁面潤(rùn)滑力與汽泡表面和壁面的距離呈反比[11]，因此隨著汽泡的生長(zhǎng)汽泡上表面逐漸靠近非加熱面，該力會(huì)逐漸增大從而阻止汽泡的浮升，使汽泡不能像在常規(guī)流道中那樣脫離加熱壁面。以上原因中第2和第3點(diǎn)是窄通道所獨(dú)有的特點(diǎn)，表明汽泡在窄通道內(nèi)由于所處條件的不同，窄通道內(nèi)汽泡特性將與常規(guī)通道內(nèi)的完全不同。

2.2 不同壓力下的核化現(xiàn)象

固定系統(tǒng)壓力、質(zhì)量流量與入口過冷度不變并增加熱流密度，加熱壁面上會(huì)逐漸出現(xiàn)核化點(diǎn)。為了研究汽泡核化的分布情況，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)給出了多幀(共500幀)汽泡輪廓的疊加圖像(圖4)，圖中輪廓線即為汽泡的外輪廓?；诖藞D可很方便地得到核化點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息，如圖5所示。從圖5可看出，在較低壓力條件下，核化點(diǎn)的數(shù)目較多且分布較均勻。汽泡核化出現(xiàn)后不斷生長(zhǎng)，同時(shí)在生長(zhǎng)過程中沿著壁面滑移，滑移生長(zhǎng)一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生冷凝并消失。大部分汽泡滑移的距離較短，汽泡的滑移距離與核化點(diǎn)之間的距離保持在同一數(shù)量級(jí)，有的甚至小于汽泡核化點(diǎn)之間的距離，上游產(chǎn)生的核化汽泡很少能經(jīng)過下游核化點(diǎn)。此外所有核化點(diǎn)并非在同一時(shí)刻核化，這樣就在很大程度上(空間上和時(shí)間上)降低了不同核化點(diǎn)之間汽泡的作用幾率，因此不同核化點(diǎn)之間的汽泡的相互作用較少，上游滑移汽泡對(duì)下游核化點(diǎn)的影響也比較小。

圖4 多幀汽泡輪廓疊加圖像(p=0.1 MPa)

圖5 較低壓力下汽泡核化點(diǎn)位置坐標(biāo)

系統(tǒng)壓力升高后，加熱壁面上的核化點(diǎn)主要集中在剛開始出現(xiàn)核化點(diǎn)的位置，較靠近實(shí)驗(yàn)段的入口部分，下游的核化點(diǎn)數(shù)目則較少。圖6示出所拍攝位置處核化點(diǎn)的核化現(xiàn)象，在整個(gè)拍攝窗口內(nèi)僅此1個(gè)核化點(diǎn)。與較低壓力下汽泡的類似，汽泡核化出現(xiàn)后會(huì)沿著壁面滑移并生長(zhǎng)，但汽泡的生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。汽泡在整個(gè)觀察窗內(nèi)很少發(fā)生冷凝現(xiàn)象，汽泡生長(zhǎng)后期直徑變化較小并滑移出觀察窗。汽泡的滑移距離相比較低壓力條件下的要大得多，會(huì)發(fā)生從上游而來的汽泡與下游核化產(chǎn)生的汽泡聚合的現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)上游汽泡滑移過下游核化點(diǎn)與之接觸的現(xiàn)象。

圖6 壓力升高后的核化點(diǎn)(p=0.2 MPa)

不同壓力條件下汽泡核化點(diǎn)分布形式的不同主要是由汽泡的滑移所導(dǎo)致的。在較低壓力條件下，由于汽泡的滑移距離較短，上游核化點(diǎn)產(chǎn)生的汽泡在未達(dá)到下游核化點(diǎn)位置處時(shí)就已冷凝并消失。核化點(diǎn)之間通過滑移汽泡而相互作用的情況較少，因此較低壓力下的流動(dòng)沸騰與池式沸騰較為類似。盡管壁面過熱度和主流過冷度發(fā)生了變化，但加熱表面的核化應(yīng)較為均勻。壓力升高后，與較低壓力下相同，下游壁面過熱度與流體溫度均高于上游，因此下游的核化密度也應(yīng)高于上游的。然而由于汽泡在貼近壁面滑移的過程中很少發(fā)生冷凝，汽泡滑移距離較長(zhǎng)，超過了壁面核化點(diǎn)之間的平均距離，在很大程度上增加了上游來的汽泡與下游核化點(diǎn)之間的作用頻率。上游核化點(diǎn)通過滑移汽泡與下游核化點(diǎn)之間發(fā)生作用，使下游核化點(diǎn)的汽化核心被滑移汽泡帶走，很難形成有效的汽化核心，只有內(nèi)控空穴才有可能核化產(chǎn)生汽泡，因此下游核化密度并未相應(yīng)增加。此外，汽泡滑移距離增加會(huì)使汽泡之間的相互作用幾率增加而導(dǎo)致汽泡的聚合，聚合形成的大汽泡在沿壁面滑移的過程中相對(duì)小汽泡而言與壁面之間的接觸面積更大，從而加大了對(duì)壁面核化點(diǎn)的影響，從另一方面降低了下游的核化密度?？傊?，窄通道內(nèi)較低壓力條件下汽泡滑移距離較短，上游核化點(diǎn)基本不會(huì)影響下游核化點(diǎn)的核化，核化點(diǎn)分布比較均勻，然而在壓力升高后由于汽泡的滑移使核化點(diǎn)之間發(fā)生了相互作用，降低了下游核化點(diǎn)的數(shù)量。

2.3 汽泡滑移對(duì)核化頻率的影響

如前所述，壓力升高后窄通道內(nèi)的滑移汽泡會(huì)對(duì)下游核化點(diǎn)產(chǎn)生一定的影響，圖7示出1個(gè)上游滑移汽泡經(jīng)過核化點(diǎn)時(shí)的部分圖像。上游滑移汽泡未經(jīng)過前，該核化點(diǎn)累積所產(chǎn)生的汽泡數(shù)量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖8a所示，圖8b示出了圖7中滑移汽泡經(jīng)過時(shí)的核化汽泡數(shù)量的變化，從汽泡累計(jì)數(shù)量的變化可知汽泡的核化頻率的變化。從圖8a可看出，在上游滑移汽泡未經(jīng)過前，盡管略有波動(dòng)，核化點(diǎn)處產(chǎn)生汽泡的頻率整體而言是比較穩(wěn)定的。圖7中4 ms時(shí)(即圖8b中62 ms處)滑移汽泡經(jīng)過核化點(diǎn)，由于該滑移汽泡較大，其滑移速度也比該核化點(diǎn)處所產(chǎn)生的汽泡滑移速度大些，因此該滑移汽泡經(jīng)過核化點(diǎn)后發(fā)生了一連串的汽泡聚合過程。在滑移汽泡經(jīng)過核化點(diǎn)后的一段時(shí)間內(nèi)該核化點(diǎn)處不再產(chǎn)生汽泡，不產(chǎn)生汽泡的時(shí)間約持續(xù)20 ms。在24 ms時(shí)(圖8b中84 ms處)核化點(diǎn)處重新產(chǎn)生汽泡，經(jīng)一段時(shí)間后，核化點(diǎn)處產(chǎn)生汽泡的頻率很快恢復(fù)到滑移汽泡經(jīng)過前的水平。此外從圖中可明顯看出，后面產(chǎn)生的核化汽泡直徑相比滑移汽泡到來之前均小些。

a——上游滑移汽泡經(jīng)過核化點(diǎn)前；b——上游滑移汽泡經(jīng)過核化點(diǎn)

根據(jù)Hsu[12]的汽泡核化模型，對(duì)于相同的壁面結(jié)構(gòu)條件，汽泡核化密度主要由壁面過熱度、熱邊界層厚度以及液體的過冷度所決定。汽泡經(jīng)過1個(gè)核化點(diǎn)后，主要會(huì)產(chǎn)生以下兩個(gè)后果：1) 汽泡滑移經(jīng)過核化點(diǎn)時(shí)會(huì)增強(qiáng)壁面附近的擾流作用，降低核化點(diǎn)處的壁面溫度，導(dǎo)致核化頻率有所降低；2) 汽泡經(jīng)過后導(dǎo)致的擾流增強(qiáng)會(huì)使熱邊界層厚度有所減小，因此有效核化半徑的范圍減小。根據(jù)以上分析，汽泡在經(jīng)過壁面后會(huì)降低有效核化半徑的范圍，因此汽泡經(jīng)過核化點(diǎn)后會(huì)出現(xiàn)核化點(diǎn)處不再產(chǎn)生核化汽泡的現(xiàn)象，一段時(shí)間后壁面過熱度以及熱邊界層會(huì)逐漸恢復(fù)，從而核化汽泡會(huì)重新出現(xiàn)。由于汽泡在核化點(diǎn)處所能達(dá)到的直徑比較有限，所需的熱量較少，因此汽泡的核化頻率會(huì)很快增加到剛開始的水平。

由于以上原因，出現(xiàn)了不同壓力條件下汽泡核化點(diǎn)分布完全不同的現(xiàn)象。在較低壓力條件下，上游核化點(diǎn)所產(chǎn)生的汽泡滑移距離較短，汽泡在未達(dá)到下游核化點(diǎn)前就已冷凝消失，滑移汽泡不會(huì)對(duì)下游核化點(diǎn)附近處的壁面過熱度和熱邊界層產(chǎn)生顯著的影響，因此較低壓力條件下核化點(diǎn)的分布較為均勻，同時(shí)核化點(diǎn)數(shù)目相比較低壓力條件多很多。然而在系統(tǒng)壓力升高后，汽泡的滑移距離較長(zhǎng)且會(huì)影響到下游核化點(diǎn)處的壁面過熱度以及熱邊界層，降低了下游區(qū)域內(nèi)的有效核化點(diǎn)的數(shù)量，從而汽泡的核化點(diǎn)大都集中在上游區(qū)域內(nèi)。

3 結(jié)論

本文對(duì)窄通道內(nèi)不同壓力下的汽泡滑移和核化現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過分析所得圖像數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論。

1) 汽泡在窄通道內(nèi)由于生長(zhǎng)力和壁面潤(rùn)滑力的作用很難脫離加熱壁面發(fā)生浮升現(xiàn)象，大多數(shù)汽泡脫離核化點(diǎn)后會(huì)繼續(xù)沿著加熱壁面進(jìn)行滑移。

2) 在較低壓力條件下，汽泡的滑移距離較短且小于核化點(diǎn)之間的平均距離，上游核化點(diǎn)產(chǎn)生的汽泡很少會(huì)影響到下游核化點(diǎn)；與之相反，壓力升高后汽泡的滑移距離較長(zhǎng)，上游核化點(diǎn)通過滑移汽泡會(huì)對(duì)下游核化點(diǎn)產(chǎn)生影響。

3) 較低壓力下的汽泡核化點(diǎn)較為均勻，而壓力升高之后的汽泡核化點(diǎn)主要集中在沸騰起始點(diǎn)附近，由于滑移汽泡的影響下游很少有核化點(diǎn)存在。

4) 滑移汽泡通過核化點(diǎn)后所帶來的擾流會(huì)改變核化點(diǎn)附近的壁面過熱度和熱邊界層厚度，從而暫時(shí)改變?cè)摵嘶c(diǎn)的核化頻率，經(jīng)一段時(shí)間后核化頻率會(huì)逐漸恢復(fù)到原來的水平。

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