搖擺條件下圓管內(nèi)過冷沸騰局部空泡時空分布特性

鮑偉，陳炳德，徐建軍，謝添舟，黃彥平（中國核動力研究設(shè)計院中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041）

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搖擺條件下圓管內(nèi)過冷沸騰局部空泡時空分布特性

鮑偉，陳炳德，徐建軍，謝添舟，黃彥平
（中國核動力研究設(shè)計院中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041）

摘要：過冷流動沸騰在核能、動力、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在，局部空泡分布特性的準(zhǔn)確預(yù)測對構(gòu)建兩相流數(shù)理模型及兩相流動壓降和傳熱特性計算均具有重要意義。實驗借助光學(xué)探針測量手段研究搖擺條件下圓管內(nèi)過冷沸騰局部空泡分布特性，并提出多周期同相位疊加方法獲得搖擺運動條件下局部瞬時空泡份額。實驗結(jié)果表明：搖擺條件下圓管內(nèi)局部空泡分布呈現(xiàn)周期性波動規(guī)律，搖擺條件下圓管軸心區(qū)及近壁區(qū)均會出現(xiàn)局部空泡份額峰值，且流道近壁區(qū)局部空泡份額波動幅度最大；與靜止條件下不同，搖擺運動周期內(nèi)過冷沸騰局部空泡份額空間分布形態(tài)隨時間發(fā)生變化；搖擺周期和搖擺角度對過冷沸騰局部空泡分布特性也存在一定影響。

關(guān)鍵詞：兩相流；過冷沸騰；空隙率；光學(xué)探針；搖擺條件；氣泡

2015-08-31收到初稿，2016-01-14收到修改稿。

聯(lián)系人：陳炳德。第一作者：鮑偉（1986—），男，博士研究生。

Received date: 2015-08-31.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (11475161) and the Youth Science Foundation of Sichuan Province (2014JQ0029).

引　言

過冷沸騰在核能、動力、化工、制冷及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在。過冷沸騰過程中局部空泡份額分布不均勻性會改變汽液兩相流動和傳熱特性，也會影響反應(yīng)堆內(nèi)平均冷卻劑密度、堆芯中子動力學(xué)特性；此外，建立、發(fā)展兩流體模型也需要兩相流動局部參數(shù)實驗數(shù)據(jù)的驗證。在海洋環(huán)境中，艦船會出現(xiàn)傾斜、搖擺等運動狀態(tài)，搖擺運動會引入時空瞬變的附加外力場，如切向力、離心力及科氏力等，同時還伴隨著浮力在流動方向上的變化。這些附加瞬變外力場的共同作用可能使得汽液兩相沸騰換熱規(guī)律及兩相流動特性發(fā)生改變，直接影響核動力裝置的性能及安全。

由于汽液兩相流動局部參數(shù)測量技術(shù)的制約，實驗研究兩相流局部相界面參數(shù)特性較為困難。目前對汽液兩相流局部空泡份額最常用的測量方法主要包括侵入式光學(xué)探針法與電導(dǎo)探針法。近些年，四探頭探針[1-2]、五探頭探針[3]及WMS（wire-mesh sensor）探針[4-5]技術(shù)得到了發(fā)展，獲得了局部相界面參數(shù)測量結(jié)果。

大量研究者借助光學(xué)探針實驗手段對空氣-水系統(tǒng)汽液兩相流動局部相界面參數(shù)分布特性進行研究[6-10]，實驗結(jié)果表明絕熱條件下汽液兩相流動徑向局部空泡、IAC等參數(shù)分布特性呈現(xiàn)出3種典型形態(tài)：近壁峰值、軸心峰值和中間峰值。孫波等[11]對相分布機理進行研究并指出氣泡徑向受升力及湍流分散力綜合作用，決定了氣泡徑向運動，形成了不同相分布規(guī)律。

對過冷沸騰相分布實驗及理論研究相對較少。Sekoguchi等[12]最早采用電導(dǎo)探針對圓管內(nèi)過冷沸騰空泡份額徑向分布特性進行研究。Hasan等[13]與Roy等[14]分別采用熱線風(fēng)速儀與光學(xué)探針測量圓環(huán)通道內(nèi)R-113過冷沸騰局部空泡份額。Yun[15]采用光學(xué)探針對圓環(huán)通道內(nèi)過冷沸騰相分布特性進行實驗研究，指出過冷沸騰條件下與絕熱條件下的相分布特性完全不同，實驗中并不存在鞍形分布形態(tài)。Garnier等[16]采用光學(xué)探針對內(nèi)徑為19.2 mm的豎直圓管內(nèi)過冷沸騰相分布特性進行研究，實驗發(fā)現(xiàn)U形、鞍形和弧形等不同類型的相分布形態(tài)。Sun 等[17]采用雙探頭光學(xué)探針對豎直圓管內(nèi)低流速過冷沸騰進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著熱平衡含氣率的增加，徑向空泡分布從U形向鞍形、弧形演化。Situ 等[18]、Lee等[19]及Yun等[20]對圓環(huán)通道內(nèi)過冷沸騰相分布特性及其演化過程進行實驗研究。然而，上述實驗研究工作均在靜止條件下開展，其在搖擺運動條件下的準(zhǔn)確性尚待驗證。

目前，搖擺條件下過冷沸騰局部空泡分布特性研究還未見公開文獻(xiàn)。因此，本研究采用光學(xué)探針對搖擺運動條件下圓管內(nèi)過冷沸騰局部空泡時空分布特性進行實驗。

1　實驗系統(tǒng)和實驗方法

1.1實驗回路

實驗回路系統(tǒng)如圖1所示，其中實驗段、換熱器、預(yù)熱器及光學(xué)探針系統(tǒng)安裝在六自由度運動平臺上，水箱、泵、閥門安裝在地面上，臺上和臺下設(shè)備通過柔性金屬管道聯(lián)結(jié)。實驗段為內(nèi)徑D=24 mm圓管，由加熱段和可視段兩部分組成，加熱段長度1 m。實驗工質(zhì)去離子水經(jīng)往復(fù)泵增壓后流上運動平臺進入預(yù)熱器后流入實驗段，隨后流入換熱器冷凝，最后工質(zhì)流入水箱形成循環(huán)。如圖2所示，運動臺以某一搖擺振幅和頻率按正弦規(guī)律運動。

圖1　實驗系統(tǒng)Fig.1　Schematic diagram of experimental devise

圖2　搖擺運動規(guī)律Fig.2　Diagram of rolling motion

實驗采用雙探頭光學(xué)探針測量過冷沸騰局部空泡份額，光學(xué)探針測量系統(tǒng)由探針、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號采集卡、示波器及信號處理系統(tǒng)組成。光學(xué)探針是利用探頭處于汽相和液相不同介質(zhì)時反射光強度不同來實現(xiàn)探頭處汽液兩相介質(zhì)的辨別。探針測點布置于距實驗段入口40D（D=24 mm）軸向位置處，同時探針可通過步進控制機構(gòu)遠(yuǎn)程驅(qū)動沿圓管徑向移動。搖擺條件下，分別在r/R=0～0.9范圍內(nèi)6個徑向位置進行測量，其中r為徑向測量位置，R為流道半徑。實驗參數(shù)范圍見表1。

表1　實驗參數(shù)范圍Table 1　Ranges of experimental parameters

1.2實驗數(shù)據(jù)處理

實驗過程中通過調(diào)節(jié)泵頻率、回路背壓閥使系統(tǒng)壓力及流量維持恒定。通過調(diào)節(jié)預(yù)熱器功率達(dá)到指定入口溫度，改變實驗段加熱功率達(dá)到指定工況。測點處的局部空泡份額為

式中，r為流道截面的徑向位置；Tc為總采樣時間；N為探測到的氣泡數(shù)；tj為氣泡與探針的接觸時間。

為驗證光學(xué)探針測量的準(zhǔn)確性，將探針測量的局部空泡份額經(jīng)面積加權(quán)平均后，與壓差法計算得到的空泡份額進行比較，在豎直條件下，圓管內(nèi)局部空泡份額分布具有軸對稱特性，因此截面加權(quán)平均可根據(jù)光學(xué)探針測量得到的局部空泡份額徑向分布曲線由式（2）計算獲得，式中αave為截面平均空泡份額。對比結(jié)果如圖3所示，探針測量結(jié)果和壓降法相對誤差在±15%以內(nèi)，表明本實驗采用的光學(xué)探針及相關(guān)設(shè)備準(zhǔn)確可靠。

1.3多周期同相位疊加方法

光學(xué)探針基于時間平均方法處理獲得局部空泡份額，搖擺條件下實驗段位置處于瞬態(tài)變化過程中，因此不能采用長時間總體平均方法統(tǒng)計計算局部參數(shù)。本文提出一種多周期同相位疊加方法：在某一局部位置測量多個完整周期T時間內(nèi)光學(xué)探針數(shù)據(jù)，根據(jù)搖擺運動規(guī)律按周期長度將數(shù)據(jù)等分，再按實驗段相同角度變化將各周期內(nèi)數(shù)據(jù)進一步劃分不同相位，將各個周期內(nèi)相同相位段數(shù)據(jù)疊加統(tǒng)計獲得局部參數(shù)，從而獲得搖擺條件下不同時刻的瞬時局部空泡份額。

圖3　空泡份額光學(xué)探針測量值與壓降法測量值對比Fig.3　Comparison of void fraction measured by optical probe method with gravitational pressure drop method

2　實驗結(jié)果與分析

2.1多周期同相位疊加方法敏感性分析

圖4　多周期同相位疊加方法敏感性分析Fig. 4　Sensitivity analysis of periodical accumulation method

圖4為搖擺條件下多周期同相位疊加方法的敏感性分析結(jié)果。選取運動周期為10 s，搖擺最大角度為20°的實驗工況為例，首先對劃分相位數(shù)進行敏感性分析，由圖4(a)可見，當(dāng)相位數(shù)為4時，局部空泡份額隨時間無顯著周期性變化趨勢，這是由于較少相位數(shù)時，每個相位持續(xù)時間較長，局部參數(shù)的變化被展平。隨著相位數(shù)增加，局部空泡份額隨著時間呈現(xiàn)明顯周期性變化特性，且當(dāng)相位數(shù)增大到16時，周期性規(guī)律基本恒定。圖4(b)所示為疊加周期數(shù)敏感性分析，當(dāng)周期數(shù)較少時局部空泡份額變化規(guī)律呈現(xiàn)一定振蕩，隨著疊加周期數(shù)增加，局部空泡份額變化規(guī)律更加平穩(wěn)，這是由于統(tǒng)計時間樣本增加后統(tǒng)計值趨于恒定。本文后續(xù)實驗分析中相位數(shù)選為16，周期疊加數(shù)均大于9。

2.2局部空泡時空分布特性

圖5為搖擺條件下圓管流道內(nèi)過冷沸騰局部空泡份額瞬時分布特性。由圖可見，隨著流道搖擺運動，局部空泡份額呈現(xiàn)周期性波動規(guī)律。流道自豎直平衡位置為起始點，在搖擺運動1/4周期內(nèi)，流道沿正方向逐漸傾斜，隨著傾斜角度增大流道各位置處局部空泡份額逐漸增大；2/4周期內(nèi)流道由最大傾斜狀態(tài)逐漸回到平衡位置，局部空泡份額逐漸減小；在3/4周期內(nèi)，流道沿負(fù)方向逐漸傾斜，局部空泡份額繼續(xù)減小；最后1/4周期內(nèi)流道由最大傾斜狀態(tài)逐漸回到平衡位置，局部空泡份額逐漸增大。流道徑向各位置處局部空泡份額峰值出現(xiàn)在流道運動至正最大傾斜角度時刻，局部空泡份額最小值出現(xiàn)在流道運動至負(fù)最大傾斜角度時刻。流道不同局部位置處局部空泡份額的波動幅度均不同，r/R=0.8位置處局部空泡份額波動幅度最大，r/R=0位置處局部空泡份額波動幅度最小。在熱通量q=350 kW·m?2工況下，搖擺引起的流道內(nèi)局部空泡份額分布不均勻程度較大，流道內(nèi)局部空泡份額最低可減小至0，r/R=0.8位置處局部空泡份額波動范圍可達(dá)0～0.5。在熱通量q=400 kW·m?2工況下，各局部位置空泡份額增大，汽液兩相相互作用增強，使得搖擺引起的流道內(nèi)局部空泡份額分布不均勻性減弱。

圖5　不同熱流工況下?lián)u擺圓管內(nèi)過冷沸騰局部空泡份額瞬時分布特性Fig.5　Instantaneous distribution of local void fraction in subcooled boiling flow under rolling condition for different heat flux

圖6　不同熱流工況下?lián)u擺圓管內(nèi)過冷沸騰局部空泡份額空間分布特性Fig.6　Spatial distribution of local void fraction in subcooled boiling flow under rolling condition for different heat flux

圖6為搖擺條件下圓管流道內(nèi)過冷沸騰局部空泡份額空間分布特性，圖中示出搖搖運動周期內(nèi)8個時刻的圓管徑向分布并與靜止條件下結(jié)果對比。由圖可見，靜止條件下豎直圓管徑向方向過冷沸騰局部空泡份額隨時間呈現(xiàn)穩(wěn)定分布形態(tài)，與靜止條件下不同，搖擺運動周期內(nèi)過冷沸騰局部空泡份額空間分布形態(tài)隨時間發(fā)生變化，且在不同熱流工況下?lián)u擺運動對不同空間范圍內(nèi)局部空泡份額影響程度不同。在低熱流工況下，靜止豎直圓管內(nèi)局部空泡份額分布呈現(xiàn)“近壁峰值”形態(tài)，搖擺運動前半周期近壁面空泡峰值增大，后半周期近壁面空泡峰值減小，搖擺運動對軸心區(qū)局部空泡份額基本無影響，對近壁區(qū)局部空泡份額影響最大；在高熱流工況下，靜止豎直圓管內(nèi)局部空泡份額分布呈現(xiàn)“軸心峰值”形態(tài)，搖擺運動導(dǎo)致徑向各局部位置空泡份額均小于靜止條件下局部空泡份額，使得局部空泡份額空間分布趨于均勻，其中搖擺運動對近壁區(qū)局部空泡份額影響最小，對流道中間區(qū)局部空泡份額影響最大。

2.3運動參數(shù)對局部空泡分布特性的影響

圖7為搖擺角度對局部空泡份額分布特性的影響。由圖可見，在較低熱流工況下，局部空泡份額值較小，波動范圍也較小，隨著搖擺角度增大，搖擺前半周期局部空泡份額波動幅度顯著增加，搖擺后半周期局部空泡份額均很?。辉谳^高熱流工況下，局部空泡份額值增大，波動范圍較大，隨著搖擺角度增大，搖擺運動周期內(nèi)局部空泡份額波動幅度增大。

圖7　搖擺角度對過冷沸騰局部空泡份額分布的影響Fig.7　Rolling amplitude effect on local void fraction distribution in subcooled boiling flow

圖8為搖擺周期對局部空泡份額分布特性的影響。由圖可見，在較低熱流工況下，搖擺周期對局部空泡份額分布影響較小；在較高熱流工況下，局部空泡份額值增大，隨著搖擺周期增大，搖擺運動周期內(nèi)局部空泡份額值增大。

圖8　搖擺周期對過冷沸騰局部空泡份額分布的影響Fig.8　Rolling period effect on local void fraction distribution in subcooled boiling flow

3　結(jié)　論

本實驗采用光學(xué)探針測量流道截面不同位置處局部空泡份額，對搖擺條件下圓管內(nèi)過冷沸騰局部空泡時空分布特性進行研究，結(jié)論如下。

（1）提出了多周期同相位疊加方法并對相位數(shù)、周期數(shù)進行敏感性分析，獲得了搖擺運動條件下圓管通道內(nèi)過冷沸騰局部瞬時空泡份額。

（2）搖擺條件下圓管流道內(nèi)過冷沸騰局部空泡份額隨搖擺運動呈現(xiàn)周期性波動規(guī)律。流道徑向各位置處局部空泡份額峰值均出現(xiàn)在流道運動至最大傾斜角度時刻，其中近壁區(qū)局部空泡份額波動幅度最大，軸心區(qū)局部空泡份額波動幅度最小。

（3）與靜止條件下不同，搖擺運動周期內(nèi)過冷沸騰局部空泡份額空間分布形態(tài)隨時間發(fā)生變化。在低熱流工況下，搖擺運動前半周期近壁面空泡峰值增大，后半周期近壁面空泡峰值減?。辉诟邿崃鞴r下，搖擺運動導(dǎo)致局部空泡份額空間分布趨于均勻。

（4）隨著搖擺角度增大，搖擺運動周期內(nèi)局部空泡份額波動幅度增大。在較低熱流工況下，搖擺周期對局部空泡份額分布影響較?。辉谳^高熱流工況下，隨著搖擺周期增大，搖擺運動周期內(nèi)局部空泡份額值增大。

符號說明

G——質(zhì)量流速，kg·m?2·s?1

N——氣泡數(shù)

p——壓力，MPa

q——熱通量，kW·m?2

R——圓管半徑，m

r——圓管徑向位置

T——搖擺周期，s

ΔT——過冷度，℃

t——時間，s

tj——汽泡與探針接觸時間，s

α——局部空泡份額

θ——搖擺角度，(°)

下角標(biāo)

ave——截面平均

m——最大值

sub——過冷

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Distribution of local void fraction for subcooled boiling flow in rolling circular tube

BAO Wei, CHEN Bingde, XU Jianjun, XIE Tianzhou, HUANG Yanping
(CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal Hydraulic Technology, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, Sichuan, China)

Abstract:Subcooled boiling flow exists in many technical applications of process and engineering such as nuclear reactors, steam generators and refrigeration systems. Accurate prediction of local void fraction is of significance for establishment of two-phase flow mathematical model and estimation of pressure loss and heat transfer capability. The radial local void distribution of subcooled boiling flow under rolling conditions was experimentally investigated by double-sensor optical probe, of which the transient local void fraction was obtained by periodical accumulation method. It showed that the local void distribution under rolling conditions exhibited a periodic variation, where the peak void fraction appeared in near-core region and near-wall region of the circular tube, and the largest amplitude of local void fluctuation existed in the near-wall region. Different from that under static conditions, the spatial distribution of local void fraction changed with the time within a rolling period. Furthermore, the period and amplitude rolling influence the distribution of local void fraction.

Key words:two-phase flow; subcooled boiling flow; voidage; optical probe; rolling condition; bubble

中圖分類號：TK 124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）06—2277—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151372

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（11475161）；四川省青年基金項目（2014JQ0029）。

Corresponding author:CHEN Bingde, bdchen@mail.sc.cninfo.net