窄矩形通道內(nèi)汽泡聚合行為研究

鄭 強(qiáng)，高璞珍，許 超，高 風(fēng)，胡 健

(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)

窄矩形通道具備強(qiáng)化換熱的特性，能滿足小體積、高功率的要求，其中的流動換熱在工程中有較廣泛的應(yīng)用[1-2]，例如美國的核動力艦船采用的均是板狀燃料組件設(shè)計。目前對于較高壓力下窄矩形通道內(nèi)過冷沸騰過程中的汽泡行為研究還較少。在已有的研究中，多是關(guān)注單個汽泡的行為特征，例如生命周期、生長曲線和脫離直徑等，而對汽泡間相互作用的研究就更少。文獻(xiàn)[3]對低熱流密度孤立汽泡區(qū)域的滑移汽泡的聚合作用進(jìn)行了可視化研究，指出滑移汽泡的聚合作用是一種積極的作用，有利于該區(qū)域附近換熱的提高。文獻(xiàn)[4]以戊烷和R-113為工質(zhì)，人工造成3個核化點(diǎn)，研究了池式沸騰時的汽泡聚合現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離加熱面的聚合對沸騰傳熱的影響很小；在壁面附近豎直汽泡的聚合可能會導(dǎo)致沸騰危機(jī)；在壁面附近水平汽泡的聚合會強(qiáng)化換熱，也可能引起沸騰危機(jī)。文獻(xiàn)[5]指出汽泡聚合特性的差異隨系統(tǒng)壓力的增加變得明顯。在較低壓力及熱流密度下，汽泡聚合后會被主流凝結(jié)；增加熱流密度，汽泡聚合后形成較大的汽團(tuán)沿加熱壁面滑動。本文采用可視化實(shí)驗(yàn)方法，對孤立汽泡區(qū)的過冷沸騰汽泡的聚合行為進(jìn)行研究，豐富現(xiàn)有的結(jié)果，以得到一些定性的結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

圖1 實(shí)驗(yàn)回路示意圖

圖1為實(shí)驗(yàn)回路示意圖。整個實(shí)驗(yàn)回路為閉式循環(huán)結(jié)構(gòu)，以純凈水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，由泵驅(qū)動。工質(zhì)在流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段前，由預(yù)熱器加熱到一定溫度，使實(shí)驗(yàn)段入口溫度滿足設(shè)定值。實(shí)驗(yàn)段的加熱方式為單面電加熱。工質(zhì)流出實(shí)驗(yàn)段后進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝。在泵的下游管道上裝有穩(wěn)壓器，與氮?dú)馄窟B接，以此來使系統(tǒng)達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定壓力值。流量通過改變旁通閥的開度及主回路上閥的開度來共同調(diào)節(jié)。

圖2為實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)段為矩形窄通道，尺寸為2 mm×40 mm×700 mm，其中加熱長度為550 mm。實(shí)驗(yàn)段一側(cè)為加熱面，材料為不銹鋼，用直流電加熱，通過改變電流來調(diào)節(jié)熱流密度，另一側(cè)為觀察面，材料為石英玻璃，高速攝影儀透過石英玻璃拍攝汽泡行為。

圖2 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中的流量、壓力、溫度等測量參數(shù)通過NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時傳送到計算機(jī)，以備需要時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)中所用的主要測量儀表精度列于表1。

表1 測量儀表精度

實(shí)驗(yàn)中所用的高速攝影儀型號為Photron FASTCAM SA5，其最高拍攝速度可達(dá)100萬幀/s，機(jī)身內(nèi)存為32 G。實(shí)驗(yàn)中所得到的圖形數(shù)據(jù)首先存儲在攝像機(jī)的內(nèi)存中，隨后通過GB以太網(wǎng)傳輸并存儲在計算機(jī)硬盤上。在滿足對拍攝區(qū)域進(jìn)行放大和合適對焦距離的前提下，高速攝影儀采用型號為SIGMA MACRO 105 mm/F2.8的鏡頭。

實(shí)驗(yàn)開始前，先對水加熱十幾至幾十個小時，使溶解于水中的不凝性氣體逸出，通過上面的排氣閥排出，以減少不凝性氣體對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)參數(shù)為：實(shí)驗(yàn)段入口處絕對壓力pin=0.55 MPa，入口溫度tin=124 ℃，入口過冷度Δtin=31 ℃，質(zhì)量流速G=516 kg/(m2·s)，平均速度v=0.52 m/s。

高速攝影儀拍攝速度為5 000 幀/s，即每兩張圖像的時間間隔為0.2 ms。

2.1 汽泡聚合過程中形態(tài)變化

圖3示出3組不同的兩個汽泡聚合時的形態(tài)變化，圖中數(shù)字為時間，單位為ms。根據(jù)汽泡的形態(tài)變化將汽泡的聚合過程分為以下4個階段。1) 相互靠近階段：從相互靠近開始到兩個汽泡各自的相界面開始接觸；2) 汽泡融合階段：從兩個汽泡的相界面開始接觸并融合到汽泡首次成為凸面體；3) 汽泡調(diào)整階段：從融合結(jié)束開始，到汽泡的形態(tài)不斷調(diào)整并最終達(dá)到穩(wěn)定；4) 汽泡穩(wěn)定階段：汽泡調(diào)整完畢后繼續(xù)運(yùn)動階段。其中較為重要的是汽泡的融合階段和調(diào)整階段。在聚合前，兩汽泡的速度達(dá)到穩(wěn)定，大汽泡的上升速度較小汽泡的大，所以觀察到的汽泡聚合行為多是大汽泡從下方追趕上小汽泡。兩個汽泡的相界面接觸后也可能再次分開，未必就會融合在一起，這與相界面復(fù)雜的物理、化學(xué)性質(zhì)以及兩汽泡的接觸角度相關(guān)。一般兩個汽泡接觸時越接近豎直方向越易融合在一起，越接近水平方向越不易融合在一起。汽泡融合后的調(diào)整階段可能持續(xù)較長的時間，開始階段的震蕩較劇烈，而后逐漸減弱，但要達(dá)到類似于單個汽泡聚合前的穩(wěn)定狀態(tài)，則需要較長的時間。汽泡聚合前的尺寸越大，震蕩越劇烈。

2.2 汽泡聚合前后速度變化

圖4為與圖3中3組汽泡相對應(yīng)的汽泡豎直方向的速度變化。由圖4可看出，汽泡聚合前的速度基本達(dá)到穩(wěn)定(看上去曲線的起伏雖較大，但實(shí)際值相差很小)，聚合后的汽泡速度先增大再減小。如果時間足夠長，最后會達(dá)到穩(wěn)定。徐建軍等[3]在其研究中指出，滑移汽泡間開始相互作用的影響距離約是其平均直徑的2倍，滑移汽泡間的聚合作用是一種積極的作用，共同使滑移汽泡的運(yùn)動速度增加，有利于該區(qū)域附近換熱的提高，本文中未觀察到類似的汽泡運(yùn)動現(xiàn)象。汽泡聚合前的速度基本保持穩(wěn)定，兩汽泡均無明顯的加速過程。這可能是由于本文中拍攝的圖像窗口大小有限，圖中0時刻兩汽泡已相距較近，已處于相互作用的末期，加速不明顯；也可能是由于汽泡運(yùn)動速度、主流速度、汽泡大小以及流道尺寸的影響造成的不同結(jié)果。兩個汽泡相互影響，是因?yàn)橄虏科葸M(jìn)入上部汽泡的尾流區(qū)受到尾流的作用。如果尾流的產(chǎn)生對原有流場參數(shù)的改變很小，那么兩個汽泡的相互作用就難以體現(xiàn)出來。

聚合前汽泡大?。篴——Dup=0.35 mm，Ddown=0.50 mm；b——Dup=0.60 mm，Ddown=0.70 mm；c——Dup=0.43 mm，Ddown=0.55 mm

圖4 汽泡速度變化

2.3 汽泡聚合過程中角度變化

圖5示出與圖3中3組汽泡相對應(yīng)的汽泡聚合過程中的角度變化。圖5中的0時刻指汽泡融合開始時刻，與圖4中的0時刻不同。在此，角度指聚合汽泡的長軸與豎直方向間的夾角，由聚合汽泡的長軸逆時針轉(zhuǎn)向豎直軸。此角度的變化體現(xiàn)出了一定的規(guī)律性，尤以圖5b所示的最為明顯：1) 開始時角度的分布很集中，有明顯的最大值和最小值，且最大值與最小值間的差值約在80°～90°之間，說明汽泡的顫動過程中連續(xù)兩次出現(xiàn)的長軸近乎垂直；2) 隨著時間的推移，角度分布逐漸分散，汽泡越來越接近圓形，調(diào)整緩慢趨于穩(wěn)定。

圖5 汽泡角度變化

2.4 汽泡聚合過程中軸長變化

圖6 汽泡軸長變化

圖6示出圖3b中汽泡聚合過程中長軸和短軸的長度變化趨勢(圖3a和圖3c中的趨勢與圖3b中的基本相同)。圖中0時刻是汽泡融合開始時刻。在0時刻，兩個汽泡剛接觸，因此長軸最長；在此后的調(diào)整階段，顯然可看出長軸變長時短軸變短。汽泡的長軸會緩慢衰減，短軸的變化趨勢不太明顯。圖7是與圖6相對應(yīng)的汽泡長軸變化擬合曲線。在圖6中的長軸變化曲線的各極大值附近選取3個點(diǎn)求取平均值，應(yīng)用Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到的曲線方程為：

L=1.063-0.012exp(t/2.667)

可看出長軸軸長按指數(shù)規(guī)律衰減。

2.5 聚合誘導(dǎo)小汽泡的產(chǎn)生

當(dāng)兩個汽泡聚合時，尤其當(dāng)這兩個汽泡較大時，會在聚合過程中產(chǎn)生1個小汽泡。這在圖3b、c中均有顯示。圖3b中5.8 ms時刻，兩個汽泡融合后長軸達(dá)到最長，之后開始變短，此時由于慣性作用，在長軸的上頂端，有少量氣體與主體分離，分離的少量氣體吸收熱量，逐漸長大成1個小汽泡。圖3c中少量氣體與主體的分離發(fā)生在6.2 ms時刻，也是發(fā)生在長軸的頂端。分離后長大的小汽泡可能會再次被大汽泡吞并(圖3b)，也有可能脫離大汽泡的控制成為1個自由的汽泡(圖3c)。對實(shí)驗(yàn)圖像的觀察發(fā)現(xiàn)，這種小汽泡的產(chǎn)生是一種較常見的現(xiàn)象，且每次只觀察到產(chǎn)生1個小汽泡。

圖7 汽泡長軸變化擬合曲線

3 結(jié)論

本文采用可視化的實(shí)驗(yàn)方法，對過冷沸騰豎直窄矩形通道內(nèi)的汽泡聚合現(xiàn)象進(jìn)行了研究。將汽泡的聚合過程分成4個階段：靠近、融合、調(diào)整和穩(wěn)定階段。并主要對汽泡聚合過程中的速度、角度、軸長變化以及誘導(dǎo)產(chǎn)生小汽泡的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)汽泡聚合過程中形態(tài)會以橢球形—圓形—橢球形交替的形式變化，同時得到以下結(jié)論：

1) 聚合汽泡的運(yùn)動速度先增大再減小，然后漸漸趨于穩(wěn)定；

2) 聚合汽泡前后兩次出現(xiàn)的橢球形的長軸近乎垂直，且隨著調(diào)整的進(jìn)行，橢球形越來越不明顯，而越來越趨于球形，直至穩(wěn)定階段；

3) 汽泡聚合過程中長軸變長時，短軸變短；長軸軸長總體上按指數(shù)規(guī)律衰減，短軸軸長總體上變化趨勢不明顯；

4) 兩個較大的汽泡聚合時，往往會在融合結(jié)束階段由上部汽泡甩出少量氣體。這些少量氣體被加熱，會長成1個小汽泡。新長成的小汽泡可能被大汽泡吞并聚合，也可能成為1個自由汽泡。在本實(shí)驗(yàn)中，觀察到每次只會產(chǎn)生1個小汽泡。

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