含不凝性氣體的蒸汽氣泡凝結(jié)過(guò)程研究

唐繼國(guó)，閻昌琪，＊，孫立成，侯曉凡

（1.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；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610207）

含不凝性氣體的蒸汽氣泡凝結(jié)過(guò)程研究

唐繼國(guó)1，閻昌琪1，＊，孫立成2，侯曉凡1

（1.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；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610207）

利用高速攝像儀對(duì)高過(guò)冷度下含不凝性氣體的蒸汽氣泡冷凝及破裂過(guò)程進(jìn)行可視化研究，以分析不凝性氣體對(duì)氣泡微細(xì)化沸騰（MEB）過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：初始不凝性氣體體積份額x0小于2.5%時(shí)，氣泡突然破碎成大量微小氣泡；x0在2.5%～7.5%之間時(shí)，較大氣泡只會(huì)分裂成數(shù)個(gè)小氣泡；x0大于7.5%時(shí)，氣泡界面非常穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生破碎和分裂現(xiàn)象。此外，當(dāng)蒸汽氣泡中含有較多不凝性氣體時(shí)，氣泡凝結(jié)過(guò)程減弱，液體對(duì)氣泡的慣性沖擊減小，氣泡不易破裂。由此可表明，在氣泡微細(xì)化沸騰發(fā)生時(shí)，不凝性氣體的存在會(huì)阻礙加熱面上氣泡的破碎，從而降低傳熱能力。

不凝性氣體；氣泡凝結(jié)；氣泡破裂；氣泡微細(xì)化沸騰

一定過(guò)冷度下，可能會(huì)發(fā)生一種伴隨大量微小氣泡噴射的特殊沸騰現(xiàn)象，且其熱流密度遠(yuǎn)高于常規(guī)臨界熱流密度（CHF），這一現(xiàn)象被稱作氣泡微細(xì)化沸騰（MEB）。由于其具有極高的傳熱能力，MEB在核能、微電子、制冷等領(lǐng)域，均具有極好的應(yīng)用前景。Inada等［1］首先注意到MEB現(xiàn)象，而后Shoji等［2］和Tange等［3］對(duì)鉑絲上的MEB現(xiàn)象進(jìn)行了觀察。而進(jìn)一步的研究表明，過(guò)冷度、流速、壓力、重力、工質(zhì)、不凝性氣體和管道尺寸等，均對(duì)MEB現(xiàn)象有較大的影響［4－8］。Ueno等［9－10］向過(guò)冷水中注射蒸汽，以模擬MEB過(guò)程中蒸汽氣泡與過(guò)冷液體之間的相互作用。他們發(fā)現(xiàn)隨過(guò)冷度的提高，氣液界面上的擾動(dòng)會(huì)加劇，并導(dǎo)致氣泡破裂。Suzuki等［11］認(rèn)為由冷凝引發(fā)的氣泡破碎是MEB產(chǎn)生的重要原因。

目前，關(guān)于MEB的研究大多處于實(shí)驗(yàn)階段，其確切的形成機(jī)理尚不清楚。氣泡的破裂和冷凝過(guò)程對(duì)于MEB的研究十分重要［9－11］。然而，由于氣相、液相和固相間極其復(fù)雜的相互作用，很難在復(fù)雜的沸騰系統(tǒng)中直接對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行研究。Ueno等認(rèn)為，可通過(guò)向過(guò)冷水中注入蒸汽氣泡來(lái)模擬復(fù)雜沸騰中過(guò)冷液體與氣泡間的相互作用，以此來(lái)簡(jiǎn)化MEB形成機(jī)理的分析［9－10］。因此，本文為分析不凝性氣體對(duì)MEB的影響，向過(guò)冷水中注入含有不凝性氣體的蒸汽來(lái)研究含不凝性氣體的蒸汽氣泡與過(guò)冷水間的相互作用。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蒸汽由蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生，通過(guò)內(nèi)徑為2 mm的圓管注入水箱（300 mm×240 mm×120 mm）中。蒸汽管道外壁包有隔熱材料以減少熱量損失。由于每組實(shí)驗(yàn)時(shí)間間隔不超過(guò)3 s，且蒸汽注入量較小，因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水箱內(nèi)液體溫度升高不會(huì)超過(guò)1℃。將每組實(shí)驗(yàn)前后測(cè)得的水箱內(nèi)溫度平均值作為液體溫度。在實(shí)驗(yàn)前將過(guò)冷度調(diào)至85 K左右，系統(tǒng)壓力為1個(gè)大氣壓。在實(shí)驗(yàn)前向蒸汽發(fā)生裝置中加入未除氣的水，且保持蒸汽發(fā)生裝置處于較低水位。當(dāng)蒸汽氣泡被注入過(guò)冷水時(shí)，立即記錄氣泡冷凝破裂過(guò)程。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，蒸汽中不凝性氣體含量逐漸降低，進(jìn)而獲得不同不凝性氣體含量下蒸汽氣泡凝縮或破裂過(guò)程。氣泡凝結(jié)過(guò)程由PHOTRON公司生產(chǎn)的Fastcam SA5高速攝像儀采集，采樣頻率設(shè)定為7 500～10 000幀／s。利用背光系統(tǒng)以增強(qiáng)拍攝氣泡的清晰度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of experiment apparatus

在氣泡等效半徑的計(jì)算中，引入誤差主要有兩個(gè)原因：1）假設(shè)氣泡為關(guān)于豎直軸對(duì)稱的橢球體或兩個(gè)半橢球體計(jì)算體積時(shí)引入的誤差，一般低于5%［12］；2）由于圖像的分辨率引入的氣泡尺寸測(cè)量的相對(duì)誤差，小于3.5%。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在本研究中，確定氣泡中初始階段不凝性氣體含量十分關(guān)鍵。由于存在不凝性氣體，氣泡中蒸汽分壓隨著冷凝的進(jìn)行而下降。蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度也隨之下降，直至下降到液體溫度，冷凝停止。因此，剩余氣泡中會(huì)含有少量蒸汽。假設(shè)氣泡在凝結(jié)過(guò)程中蒸汽處于飽和狀態(tài)，不凝性氣體和蒸汽為理想氣體。根據(jù)氣泡凝結(jié)初始時(shí)刻和完全凝結(jié)時(shí)刻不凝性氣體的理想氣體狀態(tài)方程可得：

其中：pg0和pgf為不凝性氣體分壓；T0為凝結(jié)初始時(shí)刻不凝性氣體溫度；Tb為過(guò)冷水溫度；V0和Vf為氣泡體積。根據(jù)Dalton分壓定律，不凝性氣體分壓為：

其中：p為氣泡內(nèi)總壓；pv為蒸汽分壓。根據(jù)Dalton分壓定律，不凝性氣體的初始摩爾份額可表示為：

其中：p0為初始時(shí)刻氣泡內(nèi)總壓；pv0為初始時(shí)刻蒸汽分壓。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水溫約為15℃，該溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力為1.7 k Pa。由式（1）～（3）及停止凝結(jié)后蒸汽的狀態(tài)參數(shù)可得凝結(jié)初始時(shí)不凝性氣體摩爾份額。

由于實(shí)驗(yàn)中為正面拍攝，只能得到氣泡豎直方向和水平方向尺寸h、b。然而，在重力條件下，氣泡通常可近似為關(guān)于豎直軸對(duì)稱的橢球體或兩個(gè)半橢球體。因此，氣泡體積為：

本文用等效半徑作為氣泡的特征尺寸。按照等體積原則，將相同體積下球體半徑定義為等效半徑。實(shí)驗(yàn)中氣泡脫離蒸汽注射管道時(shí)的等效半徑R0為0.5～1.5 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不凝性氣體對(duì)MEB的影響

圖2為不凝性氣體對(duì)50 K過(guò)冷度下MEB的影響［8］。可看出，在含有和不含不凝性氣體的水沸騰實(shí)驗(yàn)中均發(fā)生了MEB現(xiàn)象，且MEB區(qū)域的換熱性能均遠(yuǎn)高于飽和沸騰的CHF值。但在含有不凝性氣體條件下，會(huì)出現(xiàn)氣泡破裂受阻以及換熱性能減弱的現(xiàn)象。下文將進(jìn)一步分析不凝性氣體對(duì)過(guò)冷水中蒸汽氣泡破碎過(guò)程的影響。

圖2 不凝性氣體對(duì)50 K過(guò)冷度下MEB的影響Fig.2 Effect of noncondensable gas on MEB at liquid subcooling of 50 K

2.2 可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

含不凝性氣體的蒸汽氣泡在過(guò)冷水中冷凝時(shí)，觀察到3種不同的凝結(jié)過(guò)程，分別是氣泡破碎、氣泡分裂及氣泡的逐漸凝縮。圖3為不同凝結(jié)過(guò)程對(duì)應(yīng)的初始不凝性氣體含量。當(dāng)x0＜2.5%時(shí)，主要發(fā)生氣泡破碎現(xiàn)象；當(dāng)x0在2.5%～7.5%之間時(shí)，發(fā)生氣泡分裂現(xiàn)象；當(dāng)x0＞7.5%時(shí)，氣泡無(wú)破碎和分裂現(xiàn)象發(fā)生，而是逐漸凝縮。

圖3 不同凝結(jié)過(guò)程對(duì)應(yīng)的初始不凝性氣體含量Fig.3 Content of initial noncondensable gas for different condensing processes

典型的蒸汽氣泡凝結(jié)過(guò)程示于圖4，其中氣泡初始等效半徑均為1 mm左右。在較低初始不凝性氣體含量（x0＜2.5%）下，蒸汽氣泡會(huì)突然冷凝，在冷凝過(guò)程中氣泡界面上會(huì)出現(xiàn)劇烈擾動(dòng)，隨后較大氣泡突然破碎成大量微小氣泡（圖4a）。該現(xiàn)象與Ueno等［9－10］所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相似。然而，在較高初始不凝性氣體含量（2.5%＜x0＜7.5%）下（圖4b、c），氣液界面比較光滑，無(wú)氣泡突然破碎現(xiàn)象，較大氣泡在冷凝一段時(shí)間后分裂成數(shù)個(gè)小氣泡。隨不凝性氣體含量的增加，分裂后的氣泡數(shù)減少。x0＝3.32%時(shí)，分裂成數(shù)個(gè)小氣泡；x0＝4.45%時(shí)，只分裂成兩個(gè)小氣泡。當(dāng)初始不凝性氣體含量進(jìn)一步增加（x0＞7.5%）時(shí)，較大氣泡甚至不會(huì)發(fā)生破碎和分裂過(guò)程，而是在冷凝變形后恢復(fù)成一球形氣泡（圖4d）。

2.3 不凝性氣體對(duì)氣泡破碎過(guò)程的影響

對(duì)過(guò)冷水中純蒸汽氣泡的冷凝過(guò)程，換熱溫差通常定義為系統(tǒng)壓力下的飽和溫度與周圍液體溫度的差值，即：

其中，Ts為系統(tǒng)壓力下蒸汽飽和溫度。但不凝性氣體的存在會(huì)改變冷凝換熱溫差，所以須對(duì)其進(jìn)行修正［13］：

圖4 典型的蒸汽氣泡凝結(jié)過(guò)程Fig.4 Condensation process of typical vapor bubble

圖5為不凝性氣體含量對(duì)修正后溫差的影響。從圖5可看出，冷凝換熱溫差隨著冷凝的進(jìn)行而逐漸降低，且呈非線性變化趨勢(shì)。此外，隨初始不凝性氣體含量的增加，初始冷凝溫差減小。

圖5 不凝性氣體含量對(duì)修正后溫差的影響Fig.5 Effect of noncondensable gas content on modified temperature difference

由冷凝氣泡周圍能量守恒過(guò)程［13］有：

則氣泡冷凝換熱系數(shù)hc為：

式中：d R／d t為氣泡半徑變化速率；ρv為蒸汽密度；hfg為汽化潛熱。

氣泡從脫離注射管道到破裂或發(fā)生嚴(yán)重變形時(shí)，其等效半徑隨時(shí)間的變化如圖6所示。從圖6可看出，在不同初始不凝性氣體含量下，氣泡半徑均近似呈線性變化。因此d R／d t近似為：

圖6 氣泡冷凝過(guò)程中等效半徑的變化Fig.6 Equivalent bubble radius history in condensation process

式中：t0為氣泡脫離時(shí)刻；t為氣泡破裂或發(fā)生嚴(yán)重形變時(shí)刻。由于冷凝溫差在冷凝過(guò)程中呈非線性變化，因此，將其近似為工程上經(jīng)常使用的對(duì)數(shù)平均溫差：

其中：ΔTmax為氣泡脫離時(shí)刻的平均溫差；ΔTmin為氣泡破裂或發(fā)生嚴(yán)重形變時(shí)刻的平均溫差。

將式（11）、（12）代入式（10）得到不同初始不凝性氣體含量下氣泡冷凝過(guò)程的平均冷凝換熱系數(shù)：

圖7為不凝性氣體含量對(duì)冷凝換熱系數(shù)的影響。冷凝換熱系數(shù)隨x0的增加而下降。因在含不凝性氣體的蒸汽氣泡冷凝過(guò)程中，氣液界面附近的蒸汽被凝結(jié)而不凝性氣體卻積累。積累的不凝性氣體阻礙新蒸汽冷凝，進(jìn)而削弱冷凝換熱。不凝性氣體含量越多，蒸汽冷凝效果越差。此外，x0＜2.5%時(shí)，氣泡冷凝換熱系數(shù)隨x0的增加迅速下降；x0＞2.5%時(shí)，隨x0的增加氣泡冷凝換熱系數(shù)下降趨緩。

圖7 不凝性氣體含量對(duì)冷凝換熱系數(shù)的影響Fig.7 Effect of noncondensable gas content on condensation heat transfer coefficient

Pan等［14］認(rèn)為，氣泡凝結(jié)作用的增強(qiáng)會(huì)使由凝結(jié)引起的慣性沖擊變大，到達(dá)一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣泡的破裂。高過(guò)冷度下，當(dāng)不凝性氣體含量較低時(shí)，氣泡凝結(jié)作用極強(qiáng)，液體的慣性沖擊很大，氣泡極易破碎。但當(dāng)不凝性氣體含量較高時(shí)，凝結(jié)被大幅削弱，液體的慣性沖擊減小，氣泡比較穩(wěn)定不會(huì)破裂，與可視化研究結(jié)果相符。這說(shuō)明高過(guò)冷度下蒸汽中的不凝性氣體會(huì)阻礙氣泡破裂。因此，含有不凝性氣體時(shí)，MEB發(fā)生過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)加熱面長(zhǎng)時(shí)間被蒸汽氣膜覆蓋的現(xiàn)象［8］，此時(shí)，氣泡破碎頻率會(huì)減小。由文獻(xiàn)［11］可知，在MEB區(qū)域，氣泡破碎頻率越小，熱流密度越低，因此，當(dāng)含有不凝性氣體時(shí)，MEB區(qū)域的換熱能力將被削弱。

3 結(jié)論

本文通過(guò)向過(guò)冷水中注入含不凝性氣體的蒸汽，研究了不凝性氣體對(duì)蒸汽氣泡凝結(jié)過(guò)程的影響。在此基礎(chǔ)上分析了不凝性氣體影響MEB的原因，得到以下結(jié)論。

1）隨初始不凝性氣體體積份額x0的增加，依次出現(xiàn)以下氣泡凝結(jié)現(xiàn)象：氣泡突然破碎成大量微小氣泡（x0＜2.5%）；氣泡分裂成數(shù)個(gè)小氣泡（2.5%＜x0＜7.5%）；氣泡界面非常穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生破碎和分裂現(xiàn)象（x0＞7.5%）。

2）隨不凝性氣體含量的增加，氣泡冷凝換熱系數(shù)下降，導(dǎo)致由氣泡凝結(jié)引起的液體慣性沖擊減弱，使氣泡更加穩(wěn)定。這可能是造成含不凝性氣體的MEB現(xiàn)象中氣泡破碎受阻以及換熱被減弱的一個(gè)原因。

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Study on Condensation Process of Vapor Bubble Containing Noncondensable Gas

TANG Ji-guo1，YAN Chang－qi1，＊，SUN Li-cheng2，HOU Xiao-fan1
（1.Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；
2.College of Hy draulic and Hy dra-electric Engineering，Sichuan University，Chengdu 610207，China）

A visualized investigation was performed to study the condensation and collapse processes of vapor bubbles at high liquid subcooling with a high-speed video camera（Fastcam SA5）.Experiment results show that a vapor bubble will collapse to many microbubbles rapidly when the initial volumetric fraction of noncondensable gas in the bubble，x0，is less than 2.5%.Instead，a large bubble will split into just several tiny bubbles when x0is between 2.5%and 7.5%.Further，x0increases exceeding 7.5%，the bubble surface will be very stable，and no collapse or fragmentation occurs.The noncondensable gas in a vapor bubble reduces the condensation at the bubble surface，which weakens the inertial shock of the liquid on the surface and makes the bubble more stable.This may elucidate that the presence of noncondensable gas willinhibit the bubble collapse in microbubble emission boiling and deteriorate the heat transfer performance consequently.

noncondensable gas；bubble condensation；bubble collapse；microbubble emission boiling

TK124

：A

1000-6931（2015）09-1593-06

10.7538／yzk.2015.49.09.1593

2014-05-01；

2014-06-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51376052，11175050）

唐繼國(guó)（1988—），男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)

＊通信作者：閻昌琪，E-mail：changqi＿yan＠163.com