流道間隙對(duì)單蒸汽泡運(yùn)動(dòng)速度的影響

張利琴 黃彥平 昝元鋒 王俊峰

摘? ?要：流型是大量汽泡運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均，流道間隙對(duì)單蒸汽泡運(yùn)動(dòng)特性影響明顯，窄縫流道的尺寸效應(yīng)是影響蒸汽-水兩相流流型形成與演變的關(guān)鍵因素之一。過(guò)冷條件下，對(duì)窄縫通道內(nèi)單蒸汽泡運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了流道間隙對(duì)單蒸汽泡運(yùn)動(dòng)速度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：過(guò)冷條件下，流道間隙越小，單蒸汽泡冷凝越快，單蒸汽泡縱向速度和橫向速度明顯減小。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)握羝? 行為特性? 流道間隙? 熱工水力

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（c）-0102-02

Abstract： Flow regimes are behavior assembly average of plenty of single bubbles. Channel gap affect behavior of single vapor bubbles obviously. The channel gap is one of the key parameters to affect formation and evolution of flow regimes of vapor-water two phase flows. Experimental study was carried out on behaviour of single vapor bubbles under subcooling conditions in a narrow channel. The effect of channel gap was analyzed. Results showed that condensation rate of single vapor bubbles increased as the channel gap decreasing under subcooling conditions. Meanwhile， Longitudinal and lateral velocity of single vapor bubbles decreased obviously.

Key Words： Single vapor bubble;Behavior;Channel gap;Thermal hydraulics

窄縫通道具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)以及相對(duì)較大的比表面積，換熱性能得到了增強(qiáng)，被越來(lái)越多地運(yùn)用在具有小體積、高換熱效率的換熱系統(tǒng)中，如先進(jìn)核裂變反應(yīng)堆系統(tǒng)、電子器件冷卻系統(tǒng)、聚變反應(yīng)堆系統(tǒng)等。窄縫通道內(nèi)兩相流流動(dòng)傳熱計(jì)算，需首先確定流型。兩相流流型，是大量汽泡行為的統(tǒng)計(jì)平均，為深入了解窄縫通道內(nèi)蒸汽-水兩相流過(guò)冷沸騰流型形成及轉(zhuǎn)變機(jī)理，構(gòu)建相應(yīng)的流動(dòng)傳熱模型和流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則，需對(duì)窄縫通道內(nèi)單蒸汽泡的行為特性進(jìn)行研究。

當(dāng)前，已有的文獻(xiàn)顯示，絕熱條件下，小直徑有機(jī)單蒸汽泡的縱橫比[1]、上升速度[1，2]、尾流特性[3，2]和氮?dú)馀?、空氣泡差別不大;過(guò)冷條件下，冷凝使得單蒸汽泡運(yùn)動(dòng)速度增加，且產(chǎn)生了側(cè)向速度梯度和側(cè)向漂移，進(jìn)而影響了汽泡的溫度梯度和壽命[4-5]。上述研究中，蒸汽泡邊界與流道壁面不接觸，窄縫通道壁面對(duì)單蒸汽泡運(yùn)動(dòng)無(wú)影響。窄縫通道作為常規(guī)通道和微通道的過(guò)渡，數(shù)值模擬結(jié)果顯示通道的尺度變化對(duì)汽（氣）泡運(yùn)動(dòng)特性的影響非常顯著[6]，研究窄縫通道內(nèi)流型形成和演變，有必要分析窄縫通道的尺寸效應(yīng)對(duì)單蒸汽泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。本文實(shí)驗(yàn)研究了窄縫通道內(nèi)，流道間隙對(duì)單蒸汽泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。

1? 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)回路由除氧水箱、文丘里流量計(jì)、出口水箱、循環(huán)泵、實(shí)驗(yàn)本體和閥門(mén)組成，本實(shí)驗(yàn)為靜止工況。實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)飽和溫度的去離子水靜止后，注入由純蒸汽，通過(guò)閥門(mén)關(guān)斷，獲得不同直徑大小的蒸汽泡，通過(guò)高速攝像儀拍攝單蒸汽泡在窄縫通道內(nèi)的冷凝過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)流道采用窄縫通道結(jié)構(gòu)，流道寬60mm，長(zhǎng)950 mm，流道間隙為1mm，2mm和3mm，實(shí)驗(yàn)壓力為常壓，過(guò)冷度為1.5K，2.0K和2.5K流體為靜止?fàn)顟B(tài)，用體積當(dāng)量直徑描述單蒸汽泡的大小，單蒸汽泡體積當(dāng)量直徑范圍為4～28mm。流道豎直方向?yàn)榭v向，即Z向，流道寬面方向?yàn)闄M向，即X向。

2? 結(jié)果與討論

2.1 單蒸汽泡縱向速度

首先分析不同過(guò)冷度下，流道間隙對(duì)單蒸汽泡z向速度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，1.5K過(guò)冷度下，流道間隙減小引起單蒸汽泡z向速度減小;2.0和2.5K過(guò)冷度下，流道間隙減小，會(huì)出現(xiàn)部分蒸汽泡的z向速度不降反增的現(xiàn)象。流道間隙減小會(huì)引起散熱損失增大，由于過(guò)冷度增大單蒸汽泡z向速度會(huì)增大，因此2.0和2.5K過(guò)冷度下，流道間隙減小，出現(xiàn)部分蒸汽泡的z向速度不降反而增加的根本原因不是流道間隙減小引起，而是散熱損失增大導(dǎo)致。2mm和1mm間隙流道內(nèi)，因散熱損失較大，2.0和2.5K過(guò)冷度時(shí)，過(guò)冷度實(shí)測(cè)值已經(jīng)不能表征真實(shí)的流體和蒸汽泡的熱力學(xué)狀態(tài)，實(shí)際過(guò)冷度要低于實(shí)測(cè)值。1.5K過(guò)冷度下的1mm和2mm間隙流道內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，1mm間隙流道內(nèi)單蒸汽泡的z向速度值小于2mm間隙流道，體現(xiàn)了流道間隙的影響，散熱損失的影響小于流道間隙。

2.2 單蒸汽泡橫向速度

1.5K和2.0K過(guò)冷度下，流道間隙的減小明顯引起單蒸汽泡x向速度的減小;2.5K過(guò)冷度下，流道間隙減小，單蒸汽泡的x向速度變化不大，這是因?yàn)榱鞯篱g隙減小引起的散熱損失增大對(duì)x向速度的增強(qiáng)效應(yīng)與流道間隙減小對(duì)x向速度的削弱效應(yīng)相當(dāng)。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)窄縫通道內(nèi)過(guò)冷條件下單蒸汽泡行為特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下。

（1）單蒸汽泡界面發(fā)生冷凝，蒸汽泡尺寸不斷減小，大小和形狀不斷改變;流道間隙減小，蒸汽泡冷凝速率增大;

（2）流道間隙減小，單蒸汽泡縱向速度和橫向速度均由明顯的減小，流道壁面的約束效應(yīng)增強(qiáng)，在1mm間隙左右，發(fā)現(xiàn)顯著改變，此間隙附近存在臨界流道間隙。

參考文獻(xiàn)

[1] Vassallo P F， Symolon， P D， Moore， W E， Trabold， T A. Freon bubble rise measurement in a vertical rectangular channel[J]. Journal of Fluid Engineering，1995（117）：729-732.

[2] 宋明亮.豎直窄縫通道空氣泡與蒸汽泡運(yùn)動(dòng)特性研究[D].中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，2013.

[3] Celata G P， Cumo M， Annibale F D， Tomiyama A. Terminal bubble rising velocity in one component systems. 39th European Two-Phase Flow Group Meeting， Aveiro， Portugal， 18–20 June， Paper F3， 2001， 1-11.

[4] Pan L M.， Tan Z W， Chen? D Q ， Xue L C. Numerical investigation of vapor bubble condensation characteristics of subcooled flow boiling in vertical rectangular channel[J]. Nuclear Engineering and Design，2012（248）：126-136.

[5] Jeon S S， Kim S J， Park G C. Numerical study of condensing bubble in subcooled boiling flow using volume of fluid model.[J]. Chemical Engineering and Science，2011（66）：5899-5909.

[6] 李維仲，趙大勇，陳貴軍.豎直流道寬度對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)行為影響的數(shù)值模擬[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23（2）：196-201.