豎直矩形通道內(nèi)空氣—水兩相流動中氣泡聚合研究

王璐　孫中寧　張林　李偉　唐昌兵　劉洋華　武小莉

【摘 要】本文在自然循環(huán)條件下，研究豎直上升矩形通道（50×50mm2）內(nèi)氣泡聚合行為特性，在此基礎(chǔ)上進一步分析氣泡聚合對自然循環(huán)能力的影響。結(jié)果表明：本實驗條件下氣泡初始平均直徑大于4.5mm時升力系數(shù)大于零，直徑小于4.5mm時升力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值；兩氣泡平均間距大于8.3mm時，幾乎不能看到聚合過程；實驗范圍內(nèi)，自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增加而增大，在氣體流量小于1.30kg/h，增大氣流量對提升自然循環(huán)能力的效果較氣流量大于1.30kg/h更好。

【關(guān)鍵詞】自然循環(huán)；矩形通道；空氣-水；氣泡聚合

0 引言

針對事故工況下安全殼的降溫降壓，新一代反應(yīng)堆中多引入了非能動安全殼冷卻系統(tǒng)（PCCS），該系統(tǒng)可以不借助外部動力裝置，僅依靠自然循環(huán)等物理規(guī)律實現(xiàn)對安全殼的保護功能[1-5]。鑒于氣泡泵的引入能大幅降低自然循環(huán)系統(tǒng)上升段的密度，提高驅(qū)動力及自然循環(huán)能力，而氣泡間的典型行為（如聚合等）對上升段的空泡份額有顯著影響，空泡份額又密切關(guān)系著兩相密度及自然循環(huán)能力。因此，有必要對自然循環(huán)條件下氣泡聚合行為特性及其對自然循環(huán)能力的影響進行研究。

Allan[6]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液膜厚度減薄到100nm時， 除了毛細(xì)壓力的作用外， 還開始受到一種叫做“附加壓”的作用。當(dāng)附加壓大于零時，它對液膜的減薄過程是不利的； 而當(dāng)它小于零時，它又會起到促進的作用， 這個附加壓是由雙電層作用力、范德華分子力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用力組成的，前兩者是構(gòu)成有名的DLVO理論的基礎(chǔ)。文獻回顧表明，目前關(guān)于氣泡聚合的研究主要集中在兩個或三個氣泡，借助可視化實驗研究和數(shù)值模擬方法對氣泡的聚合行為進行分析和討論。然而實際工程應(yīng)用中多數(shù)情況下存在大量氣泡，針對自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的兩相流動工況，大量氣泡聚合問題研究及其對自然循環(huán)能力的影響還十分有限。基于此，本文在自然循環(huán)條件下，開展矩形通道內(nèi)大量氣泡間聚合行為研究，為提高自然循環(huán)能力提供理論依據(jù)與工程指導(dǎo)。

1 實驗系統(tǒng)

豎直通道內(nèi)氣液兩相上升流動實驗裝置如圖1所示。該實驗裝置由氣泡生成系統(tǒng)、自然循環(huán)回路系統(tǒng)、參數(shù)測量裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

氣泡生成系統(tǒng)由空氣壓縮機、儲氣罐、氣體流量控制閥、質(zhì)量流量計和環(huán)形陶瓷套筒及相關(guān)管道閥門組成。

2 圖像處理方法

由于實驗過程中高速攝像儀垂直于實驗段進行拍攝，因此同一水平面上存在著氣泡的疊加現(xiàn)象，由于汽泡與高速攝像儀的距離不同，造成同一視圖內(nèi)部的汽泡邊界具有明暗差異，因此，需要根據(jù)氣泡灰度的不同進行篩選。使用Image-Pro Plus軟件處理后的氣泡篩選及后處理。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 兩相同高度處氣泡的聚合行為

圖2表示兩平行氣泡的聚合過程，兩個氣泡聚合前的平均直徑為1.295mm，聚合后氣泡直徑為1.630mm。在氣泡聚合前，它們都是以螺旋式的運動方式不斷上升。在圖（d）和圖（e）中，雖然兩氣泡看似重合在一塊，在圖（f）中卻又再次分開，說明他們并沒有發(fā)生聚合，而是在同一水平面上無接觸地各自進行著螺旋式上升運動，兩氣泡的間距在不斷縮短，直至發(fā)生碰撞，并最終聚合為一個氣泡。

3.2 同一軸向上的兩個氣泡的聚合行為

豎直兩氣泡的聚合過程如圖3所示。兩氣泡聚合前的平均直徑為1.020mm，聚合后的大氣泡直徑為1.576mm。氣泡的聚合行為可由氣泡尾流效應(yīng)解釋。開始的時候，下方氣泡在上方氣泡的尾流中，由于尾流效應(yīng)的影響，下方氣泡受到的阻力很大一部分被上方氣泡抵擋，因此，下方氣泡可以獲得一個很大的加速度，且越是靠近上方氣泡，這個加速度越大。隨后，由于慣性的作用，下方氣泡瞬時超過了上方氣泡，但它受到的阻力也瞬間變大，氣泡速度馬上降低。而被超越的原上方氣泡也因為尾流效應(yīng)速度突然增大，于是兩個氣泡發(fā)生了碰撞，并最終完成了聚合。

3.3 氣泡聚合對自然循環(huán)能力的影響

實驗系統(tǒng)中自然循環(huán)水流量與注氣量的關(guān)系如圖4所示。氣體流量較小時，水流量的增長速率非?？?，兩者存在著良好的線性關(guān)系；而當(dāng)注氣量大于1.30kg/h時，自然循環(huán)水流量的增長速率下降明顯，但仍能保持線性增加的趨勢。

氣體流量小于1.30kg/h時，隨著氣體流量的增大，氣泡直徑不斷增大，氣泡數(shù)密度也增多不少。因此，氣泡與水體的接觸面積迅速擴大，氣泡對水的抬升作用明顯加強，即相同長度區(qū)段內(nèi)的氣泡群，對自然循環(huán)能力的提升作用更顯著。這時的氣泡聚合并沒有對自然循環(huán)水流量的增加產(chǎn)生什么阻礙作用。當(dāng)氣體質(zhì)量流量大于1.3kg/h時，有機玻璃實驗段的豎直壁面上開始聚集一層氣泡群，它們的運動速度很慢，對液相水的抬升作用非常小，相反還堵住了流道的一部分流通面積。這嚴(yán)重阻礙了氣液兩相的流動，所以就出現(xiàn)了圖中4所示的后半段水流量增長速率的明顯降低。盡管如此，不斷增加的氣體流量還是對自然循環(huán)能力的增強起到了一定的作用，這是由于增加的氣相流量導(dǎo)致上升段兩相密度的降低，驅(qū)動力增大導(dǎo)致自然循環(huán)能力的提升。此外，實驗范圍內(nèi)最大氣流量工況也觀察到氣泡聚合為大氣彈，氣體仍然以分散氣泡的形式存在于連續(xù)向上流動的液相水中，因而氣流量的增大也就必然會增加水的流速。

Thomas[7]對強湍流狀態(tài)下兩氣泡的聚合機理進行了研究。氣液兩相界面之間的液體，在接觸碰撞的過程中，由于相互作用力的影響被不斷擠出，這層液膜脫落到臨界聚合間距的時間為：

實際上，湍流強度與ε1成正比。也就是說湍流強度的上升使T減小。τ也隨湍流強度的增大而增長，即湍流強度的增強對氣泡的聚合不利。所以當(dāng)氣體流量很大時，強湍流作用反而使氣泡難以聚合。觀看高氣體流量時拍攝的錄像，確實很少看到聚合現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上所述，自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增大而增大的。在氣體流量小于1.30kg/h時，增大氣流量對自然循環(huán)能力的提升效果較好；大于1.30kg/h之后，效果有下降的趨勢，但也不用擔(dān)心流量過大會導(dǎo)致氣泡聚合為氣彈而使水流量大大降低。

4 結(jié)論

本文借助高速攝像儀，自然循環(huán)條件下研究了豎直上升矩形通道（50×50mm2）內(nèi)氣泡聚合行為特性，在此基礎(chǔ)上進一步分析氣泡聚合對自然循環(huán)能力的影響，所得主要結(jié)論如下：

（1）氣泡初始直徑及初始間距是影響兩水平氣泡聚合過程的重要因素，本實驗條件下氣泡初始平均直徑大于4.5mm時升力系數(shù)大于零，直徑小于4.5mm時升力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值；兩氣泡平均間距大于8.3mm時，幾乎不能看到聚合過程。

（2）對于兩豎直氣泡的聚合過程，下方氣泡受到的阻力很大一部分被上方氣泡抵擋，下方氣泡可以獲得一個很大的加速度，下方氣泡瞬時超過了上方氣泡，但它受到的阻力也瞬間變大，氣泡速度馬上降低，發(fā)生碰撞的瞬間發(fā)生聚合，即尾流效應(yīng)是影響這類氣泡聚合的主要因素。

（3）自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增加而增大，在氣體流量小于1.30kg/h時，增大氣流量對自然循環(huán)能力的提升效果較好；大于1.30kg/h之后，效果有下降的趨勢，但也不用擔(dān)心流量過大會導(dǎo)致氣泡聚合為氣彈而使水流量大大降低。

【參考文獻】

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[6]Allan R S，Charles G E，Mason S G.J Colloid Sci，1961；16：150-165.

[7]Thomas R M Bubble Coalescence in Turbulent Flows 1981（06）.