不同窄縫寬度下窄矩形通道中沸騰臨界可視化流型及觸發(fā)機理

閆美月 潘良明 馬在勇 李 想 何清澈

1（重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室 重慶 400044）

2（重慶大學(xué) 核工程與核技術(shù)系 重慶 400044）

臨界熱流密度（Critical Heat Flux，CHF）是影響設(shè)備安全運行的關(guān)鍵參數(shù)［1-2］，與其他傳統(tǒng)通道相比，窄矩形通道由于結(jié)構(gòu)緊湊，換熱面積大而擁有廣泛的應(yīng)用前景［3-4］。因此，了解窄矩形通道的CHF特性及準確預(yù)測CHF的發(fā)生，在進行反應(yīng)堆建模以及設(shè)計時尤其重要［5］。本文主要針對窄矩形通道中沸騰臨界問題進行可視化研究。

可視化實驗是記錄和研究氣泡行為的重要手段，Wang［6］在矩形通道可視化實驗中觀察到了泡狀流、攪混流和環(huán)狀流，分別繪制了0.7 MPa和1.0 MPa壓力下的流型圖，分析了壓力對流型轉(zhuǎn)變的影響，并與已有的流型圖和過渡準則進行了比較。對比結(jié)果表明，加熱狀態(tài)下泡狀流和環(huán)狀流過渡邊界與非加熱狀態(tài)基本一致。周云龍［7］進行三面加熱窄矩形通道可視化實驗研究，結(jié)果觀察到泡狀流、彈狀流、攪混流和氣膜塞狀流，并且認為非加熱通道、單面加熱通道以及三面加熱通道在可視化結(jié)果中有差異。Zhou［8］進行不同壓力下窄矩形通道中可視化實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力為0.2 MPa時，通道中會出現(xiàn)泡狀流、彈狀流和攪混流，但當(dāng)壓力為1 MPa時，通道中不會發(fā)生彈狀流。

總結(jié)之前的窄矩形通道內(nèi)沸騰臨界可視化實驗研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，窄矩形通道中沸騰臨界一般會發(fā)生在攪混流、彈狀流和攪混流，非加熱情況下的流型轉(zhuǎn)變是否適用于單面加熱窄矩形通道值得商榷，而且現(xiàn)有的文獻大部分僅涉及對流型的總結(jié)，并沒有分析不同流型沸騰臨界的觸發(fā)機理，尤其是針對窄縫寬度對流型以及沸騰臨界觸發(fā)機理的影響。因此，本文對不同窄縫寬度下窄矩形通道內(nèi)的CHF進行可視化實驗，獲得了不同窄縫下的流型發(fā)展過程和CHF觸發(fā)機理，分析窄縫寬度對CHF的影響，為后續(xù)CHF機理模型建立提供思路。

1 CHF實驗

1.1 實驗回路

為了研究窄矩形通道中的氣泡行為和沸騰臨界情況，本實驗設(shè)計并搭建了高溫高壓實驗回路［9-11］，以去離子水作為工質(zhì)，主回路中的可視化部分如圖1所示。

圖1 可視化部分設(shè)置 (a) 示意圖，(b) 現(xiàn)場圖Fig.1 Schematic diagram of the setup of visualization part (a) Schematic diagram, (b) Snapshot of experimental field

實驗段由石英玻璃和不銹鋼加熱板形成了窄矩形通道，為了觀察加熱通道內(nèi)的氣泡行為和沸騰臨界情況，通道被設(shè)計為單面加熱，兩側(cè)為承壓裝置和緊固螺栓，高速攝影儀（Revealer X113）從寬邊角度記錄通道內(nèi)氣泡行為，為了獲得通道內(nèi)更加清晰完整氣泡行為，兩個光源和高速攝影儀被布置在二維導(dǎo)軌上，高速攝影儀可以沿著導(dǎo)軌水平和豎直移動，從而獲得加熱壁面上不同位置處的可視化圖像。

為了及時反映沸騰危機發(fā)生時溫度的突然升高并保護試驗段，加熱板一共布置了31支T型鎧裝熱電偶，溫度測點布置如圖2所示。在本實驗中，由于采用均勻加熱，這種情況下沸騰臨界一般發(fā)生在發(fā)熱段靠近出口的位置，因此，在加熱片的出口附近位置熱電偶布置密集，以更好地判斷臨界的發(fā)生位置和時間。

圖2 熱電偶布置圖Fig.2 Schematic diagram of thermocouple locations

1.2 參數(shù)范圍

為了研究不同幾何參數(shù)（流道間隙）以及熱工參數(shù)（系統(tǒng)壓力、質(zhì)量流速、入口過冷度）下汽液兩相演化特征以及不同運行條件對沸騰臨界造成的影響。實驗的參數(shù)范圍如表1所示。

表1 實驗參數(shù)工況范圍Table 1 Range of experimental parameters

2 不同窄縫寬度下CHF實驗結(jié)果及觸發(fā)機理

2.1 窄縫寬度5 mm時可視化實驗結(jié)果及CHF觸發(fā)機理

當(dāng)窄縫通道為5 mm時，窄矩形通道中從壁面沸騰發(fā)展到CHF的典型流型發(fā)展過程如圖3（a）所示。可以看到，通道內(nèi)首先產(chǎn)生大量氣泡，而氣泡尺寸與窄縫尺寸相當(dāng)，為泡狀流，加熱壁面與汽相接觸時，對應(yīng)的壁面溫度上升；加熱壁面與液相接觸時，對應(yīng)區(qū)域溫度下降。由于加熱壁面不斷交替汽相和液相接觸，因此加熱壁面溫度存在波動（圖3（b）），而且對于氣泡尺寸較小，因此熱電偶波動頻率較高。隨著熱流密度的增加氣泡發(fā)生聚合，聚合氣泡尺寸逐漸增加，發(fā)展到合并泡狀流。聚合而產(chǎn)生的氣泡隨著熱流密度的增加而逐漸增大，當(dāng)氣泡尺寸足夠大、氣泡層足夠致密時，會導(dǎo)致冷流體無法透過致密的氣泡層到達加熱壁面，加熱壁面無法得到冷卻，從而引起加熱壁面溫度突然升高，導(dǎo)致CHF的發(fā)生。

圖3 ε=5 mm時CHF觸發(fā)機理 (a) 流型演變，(b) 溫度變化Fig.3 CHF trigger mechanism in the ε =5 mm (a) Flow pattern evolution, (b) Temperature variation

2.2 窄縫寬度3 mm時可視化實驗結(jié)果及CHF觸發(fā)機理

如圖4（a）所示，當(dāng)窄縫通道為3 mm時，與窄縫通道為5 mm時相比，在垂直加熱壁面方向的汽相被壓縮，可以看到窄矩形通道中形成大的氣泡彈，氣泡彈尺寸幾乎等于窄矩形通道寬度。當(dāng)加熱通道中形成大的氣泡彈時，加熱壁面會與大氣泡彈接觸，氣泡彈對應(yīng)的區(qū)域壁面溫度上升；對于氣泡彈的間隙，加熱壁面與液相接觸時，對應(yīng)區(qū)域內(nèi)由于被液體冷卻從而導(dǎo)致溫度下降，加熱壁面不斷交替與汽相和液相接觸，因此加熱壁面溫度存在波動（圖4（b））。又由于氣泡彈尺寸較大，且氣泡彈和氣泡彈之間存在穩(wěn)定液區(qū)，從而導(dǎo)致加熱壁面的溫度波動頻率較泡狀流來說較小。但是當(dāng)氣泡彈的尺寸足夠大，導(dǎo)致氣泡彈底部區(qū)域的熱量始終無法導(dǎo)出，從而造成對應(yīng)區(qū)域的溫度超過臨界溫度，最終觸發(fā)CHF的發(fā)生，又由于氣泡彈尺寸較大，因此氣泡彈存在時發(fā)生CHF涉及到的區(qū)域較大。

圖4 ε=3 mm時CHF觸發(fā)機理 (a) 流型演變，(b) 溫度變化Fig.4 CHF trigger mechanism in the ε =3 mm (a) Flow pattern evolution， (b) Temperature variation

2.3 窄縫寬度2 mm時可視化實驗結(jié)果及CHF觸發(fā)機理

當(dāng)窄縫通道為2 mm時，形成一種汽相和液相沒有明顯的分界面的攪混流，一個不穩(wěn)定流態(tài)（圖5（a）），攪混流具有振蕩性，是彈狀流與環(huán)狀流之間的重要過渡流型。如圖5（b）所示，由于攪混流中汽液兩相沒有明顯的分界面，加熱壁面不斷與汽相和液相接觸，因此加熱壁面溫度存在波動。又因為流動具有不穩(wěn)定性和振蕩性，因此加熱壁面溫度不存在一個類似圖4（b）中的基準溫度。在攪混流中，加熱壁面不斷與汽相和液相接觸，汽液交界面不斷變化，此時發(fā)生CHF的判據(jù)為，加熱壁面的溫度變化速率，當(dāng)加熱壁面溫度變化速率超過設(shè)定值時，同樣會導(dǎo)致CHF的發(fā)生（即差報型CHF）。

圖5 ε=2 mm時CHF觸發(fā)機理 (a) 流型演變，(b) 溫度變化Fig.5 CHF trigger mechanism in the ε =2 mm (a) Flow pattern evolution, (b) Temperature variation

2.4 窄縫寬度1 mm時可視化實驗結(jié)果及CHF觸發(fā)機理

如圖6（a）所示，隨著窄縫寬度的減小，當(dāng)窄縫寬度為1 mm時，通道中上表面限制效果顯著，在臨近CHF發(fā)生時，通道中大多數(shù)情況均為環(huán)狀流。在發(fā)生沸騰臨界時，汽泡底部的液膜蒸干形成干斑，然后干斑的尺寸會逐漸擴大，此時加熱壁面溫度飛升（圖6（b））。窄縫寬度為1 mm時，通道環(huán)狀流時，實際上通道里就僅存在一個薄薄的微液層，當(dāng)這部分微液層出現(xiàn)干斑，相當(dāng)于與大量氣相接觸，因此在窄縫寬度為1 mm的窄矩形通道中環(huán)狀流下的CHF溫升會比在其他流型的更高。

圖6 ε=1 mm時CHF觸發(fā)機理 (a) 流型演變，(b) 溫度變化Fig.6 CHF trigger mechanism in the ε =1 mm (a) Flow pattern evolution, (b) Temperature variation

3 窄縫寬度對CHF影響

3.1 CHF隨窄縫寬度的變化規(guī)律

固定其他條件（入口過冷度、質(zhì)量流速），圖7顯示了窄縫寬度對臨界熱流密度的影響，可以看出，窄縫寬度在5 mm下的臨界熱流密度值均大于3 mm下的臨界熱流密度值。這是因為：隨著窄縫寬度減小，當(dāng)熱流密度較高時，由于窄縫通道的限制，汽泡更不容易脫離加熱壁面，從而導(dǎo)致氣泡更容易聚集在加熱壁面上，聚合程度增加；而大量的氣泡的聚集會導(dǎo)致流動阻力增加，阻礙液體流動以及液體的及時補充，且蒸汽的導(dǎo)熱性能較差，因此各因素綜合導(dǎo)致臨界熱流密度會隨窄縫尺寸的減小而降低。

圖7 窄縫寬度為3 mm和5 mm時CHF隨壓力變化情況Fig.7 CHF changes with pressure when gap size is 3 mm and 5 mm, respectively

同時，圖7也表明在同一窄縫寬度下，當(dāng)窄縫寬度為3 mm和5 mm時，保持入口過冷度和質(zhì)量流速不變時，在1～4 MPa范圍內(nèi)，CHF隨著壓力的升高而升高。

但值得注意的是，當(dāng)窄縫寬度為1 mm時，通道中的實驗數(shù)據(jù)表明臨界熱流密度與系統(tǒng)壓力之間存在非線性關(guān)系，如圖8所示。即隨著系統(tǒng)壓力的升高，臨界熱流密度先升高后降低。綜合考慮圖8和圖7，不同窄縫寬度下CHF隨壓力的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，窄縫寬度對壓力峰值的出現(xiàn)位置也有一定影響。

圖8 窄縫寬度為1 mm時CHF隨壓力變化情況Fig.8 CHF changes with pressure when the gap size is 1 mm

從上面結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，窄縫寬度對系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)折點的出現(xiàn)有影響，這是因為在臨界熱流密度隨系統(tǒng)壓力同步上升的低壓區(qū)，起主要影響的氣泡尺寸和氣泡數(shù)量，隨著壓力升高，氣泡數(shù)量升高，從而強化壁面換熱，但是在窄縫寬度為1 mm的窄矩形通道中，窄縫寬度尺寸限制了氣泡尺寸，即隨著氣泡數(shù)量增加到一定程度后，氣泡無法及時從加熱壁面脫離，大量氣泡更易聚集成為氣泡彈，使得加熱壁面上轉(zhuǎn)變成為膜態(tài)沸騰，換熱系數(shù)降低，造成臨界熱流密度減小。

3.2 窄矩形通道不同窄縫寬度流型圖

質(zhì)量流速是對臨界熱流密度最具有直接影響的物理量。為了清晰表明不同窄縫寬度下CHF發(fā)生時窄矩形通道內(nèi)流程圖，本文作出的流型圖如圖9所示。

圖中：

圖9 窄矩形通道中CHF發(fā)生時流型圖Fig.9 Flow pattern when CHF occurs in a narrow rectangular channel

式中：Xe為熱平衡含氣率；hin為入口流體焓，J·kg-1；G為質(zhì)量流速，kg·（m2·s）-1；L為加熱段長度，m；ε為矩形通道窄縫寬度，m；q為有效熱流密度，W·m-2。

可以直觀地發(fā)現(xiàn)，窄矩形通道中窄縫寬度從5 mm下降到1 mm時，通道中流型分別為泡狀流、彈狀流、攪混流和環(huán)狀流。

4 結(jié)語

本文觀察了不同窄縫寬度下發(fā)生CHF時的流型特征，從可視化的實驗現(xiàn)象和物理機理來解釋沸騰危機的發(fā)生機理，發(fā)現(xiàn)窄縫寬度對CHF發(fā)生時的流型有非常重要的影響：

1）隨著窄縫寬度增大，發(fā)生CHF時的流型依次經(jīng)歷環(huán)狀流、攪混流、彈狀流和泡狀流。在環(huán)狀流時發(fā)生CHF時涉及到區(qū)域由初始的干斑逐漸擴展，溫升最大；在攪混流時發(fā)生的是差報型CHF；而彈狀流涉及到的區(qū)域最廣；在泡狀流中壁面溫度波動頻率最大。

2）在1～4 MPa的范圍內(nèi)，當(dāng)窄縫寬度為1 mm時，在窄矩形通道中CHF與系統(tǒng)壓力呈現(xiàn)非線性關(guān)系，而在其他窄縫寬度中CHF隨壓力增大而增大。

作者貢獻聲明閆美月負責(zé)設(shè)計實驗并實施，采集和分析數(shù)據(jù)，起草文章；潘良明、馬在勇負責(zé)對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱，獲取研究經(jīng)費；李想、何清澈負責(zé)進行統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，整理資料。