蒸汽射流直接接觸凝結(jié)的界面及聲壓特性

摘要：蒸汽射流在液體中的直接接觸凝結(jié)引發(fā)的劇烈界面振蕩及聲壓振蕩，可能導(dǎo)致工業(yè)管道系統(tǒng)振動(dòng)甚至失效，采用高速攝像機(jī)與高頻水聽器，捕捉了射流的界面演化行為及其誘導(dǎo)的聲壓。研究了3種典型凝結(jié)流型下射流界面的徑向、軸向振蕩與聲壓振蕩特性，并闡明聲壓振蕩產(chǎn)生機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：聲壓波動(dòng)的概率密度函數(shù)在間歇流型下呈左偏單峰分布，在界面振蕩流型下呈雙峰分布，而在穩(wěn)定流型下呈對(duì)稱單峰分布；隨蒸汽質(zhì)量流速升高，無量綱徑向、軸向界面振蕩強(qiáng)度及聲壓振蕩強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出極強(qiáng)的相關(guān)性。建立了基于聲壓參數(shù)的射流噴射長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的誤差在±1%內(nèi)。概率密度及相關(guān)性分析結(jié)果表明，蒸汽射流凝結(jié)的聲壓振蕩是由其界面振蕩引起的。

關(guān)鍵詞：蒸汽射流；直接接觸凝結(jié)；界面振蕩；射流噴射長(zhǎng)度

中圖分類號(hào)：O359 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202409004 文章編號(hào)：0253-987X（2024）09-0030-08

Study on Interface and Sound Pressure Characteristics of Direct Contact

Condensation of a Steam Jet

XU Qiang， HONG Aoyue， LI Xiangyu， JIANG Shuaizhi， GUO Liejin

（State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：Direct contact condensation of a steam jet in flowing water in the pipe will cause intense interface oscillations and sound pressure oscillations. In this paper， a high-speed camera and a high-frequency hydrophone is used to capture the evolution of the jet interface and the induced sound pressure. The radial and axial oscillations and sound pressure oscillations of the jet interface under three typical condensation regimes is studied. Probability density function of sound pressure fluctuation shows a left-skewed unimodal distribution under the Chugging regime， a bimodal distribution under the Oscil-Ⅰ condensation regime， and a symmetrical unimodal distribution under the Stable regime. The intensities of the interface oscillation and sound pressure oscillation decrease as the steam mass flux increases， indicating a strong correlation. A jet penetration length prediction model based on the sound pressure parameter is established， and the error between the predicted value and the experimental value is within ±1%. Probability density and correlation analysis provide quantitative confirmation that the sound pressure oscillation of steam jet condensation is caused by its interface oscillations.

Keywords：steam jet; direct contact condensation; interface oscillation; sound pressure distribution; jet penetration length

蒸汽射流在管內(nèi)過冷水流中的直接接觸冷凝具有傳熱傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆、水下推進(jìn)系統(tǒng)、液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等［1-4］。大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)，氣氧通過渦輪驅(qū)動(dòng)預(yù)壓泵對(duì)主管路中的液氧預(yù)增壓，有效防止液氧主泵氣蝕。然而，渦輪排出的氣氧噴射進(jìn)入液氧泵間管路，發(fā)生氣液兩相射流直接接觸凝結(jié)，該過程誘導(dǎo)的劇烈聲壓波動(dòng)會(huì)引起液氧泵間管路系統(tǒng)聲學(xué)不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)。因此，深入研究射流凝結(jié)的界面演化行為，闡明輻射噪聲的產(chǎn)生機(jī)理對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，確保其安全運(yùn)行具有重要意義。

氣氧-液氧及蒸汽-水的直接接觸凝結(jié)都屬于同一種物質(zhì)不同相態(tài)間的物理過程，因此兩種物質(zhì)的凝結(jié)過程具有相似的物理機(jī)制，由于界面不穩(wěn)定性導(dǎo)致的聲壓特性規(guī)律也具有相似性?？紤]到液氧具有強(qiáng)氧化性，易與可燃物質(zhì)發(fā)生劇烈反應(yīng)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，且必須存儲(chǔ)在配備絕熱層，具有足夠的強(qiáng)度和密封性的高壓容器中。相比之下，水具有穩(wěn)定的性質(zhì)、良好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

通過開展蒸汽-水直接接觸凝結(jié)的機(jī)理性實(shí)驗(yàn)，在摸清實(shí)驗(yàn)基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，形成一套行之有效的研究氣液直接接觸凝結(jié)的測(cè)量分析方法，為開展氣氧-液氧直接接觸凝結(jié)的實(shí)驗(yàn)研究建立基礎(chǔ)。同時(shí)，利用以蒸汽-水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的兩相射流凝結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可為建立氣液射流直接接觸凝結(jié)的數(shù)理模型提供依據(jù)。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)理模型的一致性后，可進(jìn)行氣氧-液氧直接接觸凝結(jié)過程的數(shù)值模擬研究。

對(duì)大空間水池內(nèi)的蒸汽射流的界面演化行為，Chan和Lee［5］首次建立了低蒸汽質(zhì)量流速下蒸汽射流在過冷水池中的凝結(jié)流型圖。Weiland和Vlachos等［6］發(fā)現(xiàn)氣泡流型及穩(wěn)定流型兩種典型流型。Khan等［7］發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的射流界面以不確定方式導(dǎo)致壓力振蕩。對(duì)于蒸汽射流在管道過冷水流中的直接接觸凝結(jié)過程，Xu等［8-9］發(fā)現(xiàn)了4種不同的凝結(jié)狀態(tài)，即不穩(wěn)定間歇振蕩、不穩(wěn)定界面振蕩（Oscil-Ⅰ）、不穩(wěn)定汽泡振蕩（Oscil-Ⅱ）和穩(wěn)定射流凝結(jié)。此外，在射流凝結(jié)過程中，會(huì)誘導(dǎo)一定頻率的壓力脈動(dòng)及噪聲輻射。當(dāng)氣液凝結(jié)誘發(fā)的壓力或噪聲頻率低至一定值，接近或等于管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)將導(dǎo)致管道系統(tǒng)的共振，由此產(chǎn)生的惡劣破壞作用，會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)失效，甚至可能摧毀與之連接的其他熱力系統(tǒng)設(shè)備。對(duì)于射流凝結(jié)引起的壓力振蕩，Cho等［10］發(fā)現(xiàn)壓力振蕩振幅首先隨水溫緩慢增加，在60℃和80℃左右達(dá)到峰值，然后急劇下降。Hong等［11］研究了較高蒸汽質(zhì)量流速下射流凝結(jié)的壓力波主頻隨汽水參數(shù)的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)蒸汽質(zhì)量流速小于300kg/m2·s時(shí)，壓力波主頻與蒸汽質(zhì)量流速成正比，反之成反比。對(duì)于蒸汽射流在受限空間內(nèi)的壓力振蕩，Xu等［12］系統(tǒng)研究了4種典型凝結(jié)流型下的壓力振蕩隨時(shí)間變化特性及流型轉(zhuǎn)變時(shí)的壓力波概率密度分布特性，揭示了在不同汽水參數(shù)及流動(dòng)形態(tài)下，壓力振蕩強(qiáng)度及主頻特性的變化規(guī)律。目前，針對(duì)蒸汽射流流場(chǎng)內(nèi)壓力波動(dòng)的研究已經(jīng)相當(dāng)充分。然而，少有文獻(xiàn)涉及蒸汽射流流場(chǎng)噪聲的研究。

與壓力傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)不同，水聽器可在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)提供平坦的頻率響應(yīng)［13］。此外，水聽器在較為微觀的氣泡行為檢測(cè)層面也表現(xiàn)優(yōu)良?？杀挥糜诹黧w橫流中氣泡聲信號(hào)的檢測(cè)［14-15］、氣泡合并產(chǎn)生的聲音［16］及一對(duì)或小群氣泡［17］的聲學(xué)研究。因此，許多學(xué)者利用聲學(xué)信號(hào)對(duì)多相流系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及系統(tǒng)行為進(jìn)行了研究。Ajbar等［18］利用聲波信號(hào)對(duì)氣液兩相流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，聲波測(cè)量技術(shù)在識(shí)別氣泡塔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)方面具有一定的適用性。Al-Masry等［19-20］采用聲學(xué)及壓力信號(hào)相結(jié)合的方法對(duì)氣泡塔內(nèi)流場(chǎng)的過渡點(diǎn)進(jìn)行了識(shí)別，研究結(jié)果表明，聲學(xué)測(cè)量有助于揭示氣泡性質(zhì)的重要信息，特別是氣泡的大小和振蕩頻率。射流凝結(jié)過程伴隨劇烈的相界面演化及氣泡生成、聚并、破碎、潰滅等行為。因此，采用聲學(xué)信號(hào)對(duì)射流凝結(jié)過程的相界面演化行為進(jìn)行表征，是一種合適且有效的手段，但這方面鮮有相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)。

總結(jié)上述文獻(xiàn)可知，現(xiàn)階段對(duì)于蒸汽射流冷凝界面的研究主要是基于射流形態(tài)的主觀判斷，鮮有研究涉及利用聲學(xué)信號(hào)對(duì)射流凝結(jié)相界面演化行為的表征。本文采用高速攝像機(jī)捕捉射流界面的瞬態(tài)演化行為，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取并統(tǒng)計(jì)射流界面參數(shù)；利用高頻水聽器獲得射流凝結(jié)流場(chǎng)內(nèi)的聲壓信息；定量研究了射流凝結(jié)的界面振蕩與聲壓振蕩的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；引入聲壓參數(shù)，建立射流噴射長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)模型。研究結(jié)果揭示了蒸汽射流流場(chǎng)內(nèi)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，為進(jìn)一步分析界面的不穩(wěn)定性提供了新思路。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 蒸汽射流直接接觸凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

蒸汽射流直接接觸凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由以下5部分構(gòu)成：過冷水循環(huán)系統(tǒng)、蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、測(cè)試段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及圖像采集系統(tǒng)。過冷水循環(huán)系統(tǒng)采用水箱及水泵實(shí)現(xiàn)過冷水的存儲(chǔ)及循環(huán)。在過冷水循環(huán)管路上安裝有調(diào)節(jié)閥及精度為0.5%的質(zhì)量流量計(jì)，分別用于過冷水流量的調(diào)節(jié)與監(jiān)測(cè)。水箱底部及測(cè)試段入口處裝有加熱器，循環(huán)管路末端裝有冷卻器用于過冷水溫度控制。

蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主要由72kW的鍋爐提供飽和蒸汽。蒸汽供應(yīng)管道外覆蓋有保溫泡沫以保證蒸汽的飽和狀態(tài)。同時(shí)蒸汽供應(yīng)管道安裝有調(diào)節(jié)閥及精度為0.5%的渦街流量計(jì)用于蒸汽流量調(diào)控與監(jiān)測(cè)。

測(cè)試段及噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中過冷水的流通截面為40mm×40mm的正方形。兩塊長(zhǎng)為460mm、寬為40mm的石英玻璃作為測(cè)試段的前后壁面，為圖像采集系統(tǒng)提供良好的透光度。飽和蒸汽經(jīng)內(nèi)徑為4.5mm的漸縮漸擴(kuò)噴嘴進(jìn)入測(cè)試段，噴嘴安裝在距測(cè)試段底部80mm處。蒸汽的入口壓力及溫度分別通過壓力傳感器及熱電偶進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)在距測(cè)試段底部200mm與400mm的位置分別安裝有壓力傳感器及高頻水聽器，用以監(jiān)測(cè)測(cè)試段相關(guān)壓力及聲壓波動(dòng)特性。

圖像采集系統(tǒng)采用Photron FASTCAM Mini WX50高速攝像機(jī)和尼康定焦鏡頭記錄蒸汽射流冷凝的界面演化行為，10000幀拍攝時(shí)間為4s。在可視段后垂直布置了一個(gè)LED光源為攝像機(jī)提供均勻的光源背景。鏡頭距離蒸汽射流氣羽420mm，在進(jìn)行對(duì)焦后獲得清晰的射流氣羽圖像。原始射流氣羽圖像的面積為42.6×21.3mm2，對(duì)應(yīng)的分辨率為512像素×256像素。同時(shí)采用8mm外徑的噴嘴，在射流氣羽的瞬態(tài)圖像里對(duì)應(yīng)96個(gè)像素點(diǎn)，因此計(jì)算得到一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的真實(shí)長(zhǎng)度為0.08333mm。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含溫度、壓力、質(zhì)量流量及聲壓數(shù)據(jù)的采集。其中溫度通過量程為0～200℃、精度為±0.25℃的K型熱電偶測(cè)量。壓力通過量程為0～5bar、精度為±0.1%的凱勒壓力傳感器測(cè)量。溫度、壓力及流量均通過LabView數(shù)據(jù)采集單元，采樣頻率為5000Hz，其中溫度信號(hào)通過NI 9212模塊采集，壓力及流量信號(hào)通過NI 9253模塊采集。此外，聲壓信號(hào)通過安裝在壁面上的高頻響水聽器（Bamp;K，8103-D-100，丹麥）測(cè)量，通過3052-A-030模塊采集，采樣頻率為65.5kHz。由于溫度、壓力等數(shù)據(jù)與聲壓數(shù)據(jù)分別通過不同采集軟件采集，因此采用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)溫度、壓力及流量數(shù)據(jù)與聲壓數(shù)據(jù)的同步采集。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。

蒸汽入口壓力、溫度與蒸汽質(zhì)量流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2，噴嘴內(nèi)徑固定時(shí)，在一定的蒸汽入口壓力和溫度下，蒸汽質(zhì)量流速近乎確定。將蒸汽質(zhì)量流速作為本文的主要自變量，相當(dāng)于考慮了蒸汽入口壓力及溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 數(shù)字圖像處理技術(shù)

利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)原始?xì)庥饒D像進(jìn)行圖像處理，如圖3所示，主要包括中值濾波、圖像填充及邊緣檢測(cè)等方法。采用Otsu閾值分割方法，按照?qǐng)D像的灰度特性，通過調(diào)整合適的閾值將真彩色圖像從灰度模式轉(zhuǎn)換為二值模式，如圖3（b）所示。由于參考背景與蒸汽射流氣羽的灰度值差異較大，因此文中沒有考慮參考背景對(duì)圖像處理結(jié)果的影響。為提高圖像質(zhì)量，采用大小為7×7像素的滑移窗口的中值濾波器消除圖片噪聲，如圖3（c）所示。在此基礎(chǔ)上，提取出感興趣的射流氣羽區(qū)域，如圖3（d）所示。隨后通過Cannon邊緣檢測(cè)技術(shù)提取氣羽界面，如圖3（e）所示。最后建立坐標(biāo)系如圖3（f）所示。

本文分別定義聲壓振蕩強(qiáng)度為P、軸向界面振蕩強(qiáng)度為L(zhǎng)、上半部徑向界面振蕩為Rupper、下半部徑向界面振蕩為Rlower。

將射流的周長(zhǎng)線性化，分為上下兩部分，即每個(gè)z坐標(biāo)位置只允許有一個(gè)界面徑向位置。每個(gè)z坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的界面徑向位置Rupper，z和Rlower，z可通過如下公式計(jì)算得到

Rupper，z=kiRupper，z，i（1）

Rlower，z=kiRlower，z，i（2）

式中：ki為圖像實(shí)際尺寸與其像素的比值，本文中ki=0.08333mm/像素。Rupper，z，i和Rlower，z，i為從中心線到射流上、下界面徑向位置的像素之和。

射流氣羽的軸向位置L即射流噴射長(zhǎng)度可由下式計(jì)算得到

L=kiLi（3）

式中，Li是射流邊界最長(zhǎng)軸線的像素之和。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸汽射流凝結(jié)的界面演化行為及聲壓特性

射流界面的時(shí)空演化受多種因素，例如蒸汽質(zhì)量流速、過冷水溫度等［21-23］的影響。借鑒Xu等［9］在流型劃分上的經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)不同凝結(jié)流型下蒸汽射流氣羽的形貌以及相應(yīng)流型下聲壓的概率密度函數(shù)（PDF）分布差異，本文基于蒸汽質(zhì)量流速將凝結(jié)流型劃分為3類。當(dāng)Gs為 50～100kg·m－2·s－1時(shí)，出現(xiàn)間歇凝結(jié)流型。在間歇凝結(jié)流型下，在供汽和冷凝的耦合影響下，射流氣羽間歇性地進(jìn)出噴嘴出口，其聲壓的PDF分布為明顯的左偏單峰分布。當(dāng)Gs為150～200kg·m－2·s－1時(shí)，出現(xiàn)界面振蕩凝結(jié)流型。在界面振蕩流型下，蒸汽持續(xù)從噴嘴噴出，與噴嘴直徑相當(dāng)?shù)拿睜顨馀莶粩鄰臍庥鹞膊棵撀洹Ｔ摿餍拖碌穆晧呵€為振幅較大的正弦波動(dòng)形式，其聲壓的PDF呈雙峰分布。當(dāng)Gs為250～600kg·m－2·s－1時(shí)，出現(xiàn)穩(wěn)定凝結(jié)流型。在穩(wěn)定流型下，射流氣羽可以保持一個(gè)幾乎穩(wěn)定的界面，聲壓波動(dòng)幅度小，其PDF分布為0kPa附近的對(duì)稱單峰分布。當(dāng)Gs為100～150kg·m－2·s－1時(shí)，凝結(jié)流型從間歇振蕩流型向界面振蕩流型轉(zhuǎn)變。當(dāng)Gs為250kg·m－2·s－1時(shí)，凝結(jié)流型從界面振蕩逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定流型。

典型凝結(jié)流型下的界面行為及聲壓特性，如圖4所示。在間歇凝結(jié)流型下，在供汽和冷凝的耦合影響下，射流氣羽間歇性地進(jìn)出噴嘴出口，其界面演化曲線如圖4（a）所示，氣羽界面的軸向振蕩幅度為0～1.98de，其平均長(zhǎng)度為0.47de。統(tǒng)計(jì)了z為0.19de的徑向界面振蕩，可以看出：上半部氣羽的徑向界面振蕩在0～0.65de范圍內(nèi)，其平均長(zhǎng)度為0.13de；氣羽上部界面的徑向振蕩為0～0.94de，平均長(zhǎng)度為0.26de；氣羽下部界面的徑向振蕩為－0.5de～0de，平均長(zhǎng)度為－0.42de；氣羽的上、下界面的徑向振蕩產(chǎn)生明顯差異是由于過冷水對(duì)氣羽的縱向沖擊，同時(shí)界面振蕩長(zhǎng)時(shí)間為0是過冷水流入噴嘴的結(jié)果。如圖4（b）所示，由于過冷水突然進(jìn)入噴嘴導(dǎo)致極低的聲壓負(fù)峰產(chǎn)生。此后，在氣羽生長(zhǎng)期聲壓振蕩幅度逐漸減小。該流型下聲壓振蕩的PDF在0kPa附近呈現(xiàn)出明顯的左偏單峰分布，如圖5（a）、5（b）所示。根據(jù)Xu等［8］的擬合模型，聲壓振蕩可以通過漸近分段的廣義曲線擬合模型，即GCAS模型精確地?cái)M合，其氣羽界面的軸向振蕩的PDF分布也可通過GCAS模型精確擬合，如表3所示。

當(dāng)供汽速率大于蒸汽冷凝速率，但不足以保持相對(duì)穩(wěn)定的兩相界面時(shí)，出現(xiàn)界面振蕩凝結(jié)流型。在該流型下，噴嘴出口形成帽狀氣泡。從噴嘴出口到射流末端的長(zhǎng)度一般在噴嘴的內(nèi)徑范圍內(nèi)。如圖4（c）所示，界面振蕩流型的氣羽界面軸向振蕩幅度為0～2.74de，其平均長(zhǎng)度為0.78de。氣羽上部界面的徑向振蕩為0～0.94de，平均長(zhǎng)度為0.31de。氣羽下部界面的徑向振蕩為－0.98de～0de，平均長(zhǎng)度為－0.42de。同時(shí)其聲壓波動(dòng)呈近似正弦曲線，如圖4（d）所示。在界面振蕩流型下聲壓振蕩的PDF呈現(xiàn)出雙峰分布，可通過Pseudo-Voigt 模型，即PVoigt1模型擬合，其峰值較間歇流型較低，表明界面振蕩流型的聲壓振蕩強(qiáng)度高于間歇流型。根據(jù)表3所示，氣羽界面的軸向振蕩的PDF分布也可通過PsdVoigt1模型精確擬合。

當(dāng)蒸汽質(zhì)量流速較高且過冷水的過冷度較高時(shí)，射流氣羽可以保持一個(gè)幾乎穩(wěn)定的界面，而不會(huì)有大氣泡從界面脫落，將該凝結(jié)狀態(tài)定義為穩(wěn)定流型。在該流型下，射流氣羽后為一個(gè)兩相區(qū)。小的蒸汽泡不斷地從氣羽尾部落下，與過冷水均勻混合，最終在距離噴嘴出口較遠(yuǎn)的地方凝結(jié)并完全湮滅。如圖4（e）所示，該凝結(jié)流型下氣羽界面的軸向振蕩幅度為1.65de～3.05de，其平均長(zhǎng)度為2.21de。z為0.19de處上半部氣羽的徑向界面振蕩在0.39de～0.44de范圍內(nèi)，其平均長(zhǎng)度為0.42de。氣羽上部界面的徑向振蕩為0～0.94de，平均長(zhǎng)度為0.26de。氣羽下部界面的徑向振蕩為－0.55de～－0.50de，平均長(zhǎng)度為－0.52de。表明射流界面的軸向及徑向振蕩較其余兩種凝結(jié)流型最為穩(wěn)定。同時(shí)穩(wěn)定流型下聲壓振蕩幅度最低，其PDF分布為0kPa附近的對(duì)稱單峰分布，其峰值遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)凝結(jié)流型。該流型下聲壓及界面的PDF都可通過PearsonⅦ模型精確擬合，如圖5所示。

2.2 界面及聲壓振蕩隨蒸汽質(zhì)量流速的變化

圖6給出了氣羽的徑向、軸向界面振蕩強(qiáng)度及聲壓振蕩強(qiáng)度隨蒸汽質(zhì)量流速的變化。Rew=29974， Tw=30℃， Pw=145kPa。通常情況下，采用物理量的標(biāo)準(zhǔn)差、平均值、最大值及最小值來衡量物理量的振蕩強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)差可用于數(shù)據(jù)集離散程度的描述。為消除氣羽徑向、軸向平均長(zhǎng)度的影響，定義無量綱徑向界面振蕩R·R－1m及無量綱軸向界面振蕩L·L－1m，其中Rm代表氣羽上部、下部界面的平均直徑，Lm代表氣羽軸向界面平均長(zhǎng)度。

隨著蒸汽質(zhì)量流速Gs的增加，聲壓振蕩強(qiáng)度P呈現(xiàn)先上升后快速下降的趨勢(shì)。在Gs為250kg·m－2·s－1后，降速放緩。當(dāng)Gs為50～100kg·m－2·s－1時(shí)，凝結(jié)流型處在間歇凝結(jié)流型內(nèi)，隨著Gs的增大，P呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì)，這是由于在低Gs時(shí)的P主要受噴嘴內(nèi)外壓差的影響，是流體動(dòng)力學(xué)壓差主導(dǎo)控制的現(xiàn)象。當(dāng)Gs為150～200kg·m－2·s－1時(shí)，處在界面振蕩流型內(nèi)，隨著Gs的增大P快速下降，但在界面振蕩流型內(nèi)的P整體高于間歇凝結(jié)流型。繼續(xù)增大Gs至穩(wěn)定流型，此時(shí)P快速衰減至極低水平。無量綱徑向界面振蕩R·R－1m及無量綱軸向界面振蕩L·L－1m與P隨Gs的變化規(guī)律類似。

統(tǒng)計(jì)學(xué)通常利用相關(guān)系數(shù)來描述物理量間的相關(guān)程度。因此，本文采用相關(guān)系數(shù)定量分析氣羽徑向、軸向界面振蕩及聲壓振蕩間的關(guān)系，結(jié)果見表4。射流聲壓振蕩強(qiáng)度與界面振蕩強(qiáng)度之間呈強(qiáng)相關(guān)性，與無量綱界面軸向振蕩L·L－1m的相關(guān)系數(shù)最高為0.97，與無量綱下界面徑向振蕩Rlower·R－1m的相關(guān)系數(shù)次之，與無量綱上界面徑向振蕩Rupper·R－1m的相關(guān)系數(shù)最低為0.89，但也處在強(qiáng)相關(guān)性的范圍內(nèi)。界面的軸向振蕩與徑向振蕩間也體現(xiàn)為強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)不低于0.96。

2.3 蒸汽射流噴射長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型

射流噴射長(zhǎng)度是熱工系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，如蒸汽噴射器中擴(kuò)散通道的長(zhǎng)度。因此，定量描述蒸汽氣羽的形狀和尺寸對(duì)于工業(yè)應(yīng)用有十分重要的意義［24-25］。由前所述，無量綱蒸汽噴射長(zhǎng)度Lm與聲壓振蕩強(qiáng)度P表現(xiàn)出極強(qiáng)相關(guān)性。根據(jù)文獻(xiàn)［9］研究結(jié)果，蒸汽質(zhì)量流速對(duì)蒸汽噴射長(zhǎng)度也有重要影響作用。因此考慮聲壓振蕩強(qiáng)度及蒸汽質(zhì)量流速兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，利用rational Taylor非線性曲面擬合模型，建立了無量綱蒸汽噴射長(zhǎng)度Lm的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式

Lm=（－4.32+6.56（Gs/Gm）+61.04（P/Pw）－

157.78（P/Pw）2－27.63（Gs/Gm）（P/Pw））/（1+

1.27（Gs/Gm）+17.39（P/Pw）－0.21（Gs/Gm）2－

25.37（P/Pw）2－8.35（Gs/Gm）（P/Pw））（4）

式中：Gm為標(biāo)準(zhǔn)蒸汽質(zhì)量流速，275kg/m2s；Pw為過冷水壓力，0.145MPa。同時(shí)，Gs/Gm在0.18～2.18的范圍內(nèi)，而P/Pw在0.01～0.18的范圍內(nèi)，Lm在0.47～3.67的范圍內(nèi)。預(yù)測(cè)曲面如圖7（a）所示，藍(lán)色小球代表實(shí)驗(yàn)測(cè)得的射流噴射長(zhǎng)度。預(yù)測(cè)誤差如圖7（b）所示，射流噴射長(zhǎng)度Lm的大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值的誤差在±1%的范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)值也處在0.47～3.67的范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文采用高速攝像機(jī)與高頻水聽器，捕捉了射流界面的演化及其誘導(dǎo)的聲壓。主要分析了間歇振蕩、界面振蕩及穩(wěn)定流型下射流界面與聲壓振蕩特性及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，得出的主要結(jié)論如下。

（1） 獲得了3種典型凝結(jié)流型下的界面演化及聲壓特性，通過PDF分析發(fā)現(xiàn)，聲壓分布在間歇流型下呈左偏單峰分布，在界面振蕩流型下呈雙峰分布，而在穩(wěn)定流型下呈對(duì)稱單峰分布。

（2） 描述了界面振蕩強(qiáng)度及聲壓振蕩強(qiáng)度隨蒸汽質(zhì)量流速的變化規(guī)律。隨蒸汽質(zhì)量流速升高，無量綱徑向、軸向界面振蕩強(qiáng)度及聲壓振蕩強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)，界面振蕩與聲壓振蕩之間具有強(qiáng)相關(guān)性。

（3） 建立了引入聲壓參數(shù)的無量綱射流噴射長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的誤差在±1%內(nèi)。通過對(duì)界面及聲壓振蕩的概率密度分布及相關(guān)系數(shù)的定量分析，可知蒸汽射流凝結(jié)的聲壓振蕩是由其界面振蕩引起的。

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（編輯 武紅江）