窄通道内的汽泡核化以及滑移汽泡的影响

李少丹，谭思超，高璞珍，许 超，高 风

(哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

汽泡的核化是沸腾汽泡产生的根源，在持续热量输入的情况下，液体的温度会不断上升并超过饱和温度，随后发生相变而产生汽泡。汽泡核化密度及汽泡核化频率的确定对沸腾换热研究有重要意义，决定了通过相变所交换的热量以及ONB点(沸腾起始点)的位置。汽泡的核化也是两流体模型中界面参数中源项的重要组成部分，对界面输运方程的求解起着至关重要的作用[1]。

为确定加热表面上的核化点密度及其分布情况，众多研究者对此展开了大量研究[2-5]。确定核化点密度的研究方法主要有两种：一种是首先确定影响核化点密度的主要因素，随后结合这些影响因素总结出核化密度的经验关系式；第二种则是结合汽泡核化机理进行的，认为汽泡在壁面上的核化主要由有效核化点决定，通过确定有效核化点的范围以及壁面的微观结构便可求出核化密度的大小。窄通道过冷流动沸腾与池式沸腾汽泡核化有所不同，潘良明等[6]和李佳等[7]分析了窄通道内质量流速和热流密度对汽泡核化的影响，发现在相同热流密度条件下，质量流速对核化密度几乎无影响，核化密度随流道尺寸的减小而增大。

然而到目前为止，窄通道内的核化机理及其影响因素尚未完全确定。为了深入研究窄通道内的沸腾行为，本文拟通过实验观察不同压力下过冷沸腾窄通道内核化点的分布情况，并对产生这种分布的主要原因进行分析，以确定汽泡滑移对汽泡核化点分布的影响。

1 实验回路及高速摄影装置

实验在闭式回路中进行，以去离子水为实验工质。实验回路(图1)主要由可视化实验段、循环泵、预热器、冷凝器、稳压器、测量仪表以及附属管道组成，系统压力通过控制稳压器内氮气压力实现，系统压力分别取0.1 MPa和0.2 MPa。图2示出高速摄影装置的布置方式及实验段横截面示意图。对实验段的观察拍摄使用FASTCAM SA5高速数字摄像机，其最高拍摄速度可达106帧/s，摄像机镜头采用Sigma微距镜头(焦距为105 mm，光圈为2.8)。摄像机固定在一个二维导轨上，可分别沿垂直于流道和垂直于加热面的方向移动，实现拍摄位置的变化。两个最大功率为150 W的光纤冷光光源同时安装在导轨上随摄像机同时移动，实验中可通过调节光源功率以满足高速拍摄的需求，通过调节光源的照射位置使拍摄到的图片的对比度达到最大，以使图像处理结果更加容易且更加准确。

图1 实验回路示意图

图2 高速摄影装置及实验段

在实验过程中，设定摄影仪拍摄的采样速度为5 000帧/s，系统压力为0.1 MPa时图像分辨率设置为576×360像素，对应实际拍摄面积约为30 mm×19 mm，系统压力为0.2 MPa时图像分辨率设置为512×360像素，对应实际拍摄面积约为11 mm×8 mm。实验段为单面电加热的窄缝通道，窄缝高度为2 mm。实验段主要由压紧块、下承压体、石英玻璃可视窗、不锈钢电加热板、背面冷却回路以及密封装置构成，由电加热板上的电极通过低压大电流直流电源在背面实现单面加热。

2 实验结果和讨论

2.1 汽泡的滑移原因及其分析

一般而言，欲确定壁面产生的汽泡是否脱离加热壁面需从平行于加热壁面的方向进行观察。本实验由于通道窄边距离很小，从平行于加热壁面的方向即侧面对气泡进行观察不仅受到照明条件的限制，而且由于通道的宽高比(大于20)较大，侧面拍摄会有很多汽泡相互重叠而增加识别难度，因此本实验中汽泡图像的采集从垂直于加热壁面的方向即正面进行，如图2所示。尽管不能从侧面直接观察汽泡是否脱离加热壁面，但如果汽泡未脱离加热壁面，则可从正面观察到汽泡底部与加热壁面的接触圆，如图3所示。文献[8]指出：由于热边界层温度梯度导致折射率的变化所引起的幻影效应的存在，该面积并不能反映汽泡实际的接触圆面积的大小，因此本文并未对其进行精确测量，但可根据其有无来判断汽泡是否脱离加热壁面。在本实验范围内，大多数汽泡底部均有与加热壁面相互接触而形成的接触圆，因此可认为所观察到的大多数汽泡均未发生浮升。

图3 滑移汽泡的底部接触圆

汽泡未脱离加热壁面的主要原因如下：1) 对于较低压力条件，汽泡在快速生长的过程中受到指向壁面方向的非稳态曳力(即生长力)的影响，生长力的大小与汽泡的生长速度呈正比[9]，根据Chen等[10]的实验结果和分析，汽泡在较低的压力下生长速度较快，受到的生长力更大些，因此在较大的生长力作用下汽泡难以脱离加热壁面；2) 由于本实验的流道较窄，在很短的时间内汽泡顶部就会接触到非加热壁面，即石英玻璃可视面，不满足汽泡浮升所需的大空间条件；3) 即使汽泡直径未能达到通道高度，与常规通道不同，较窄的流道壁面所产生的壁面润滑力也会起到一定的作用，壁面润滑力与汽泡表面和壁面的距离呈反比[11]，因此随着汽泡的生长汽泡上表面逐渐靠近非加热面，该力会逐渐增大从而阻止汽泡的浮升，使汽泡不能像在常规流道中那样脱离加热壁面。以上原因中第2和第3点是窄通道所独有的特点，表明汽泡在窄通道内由于所处条件的不同，窄通道内汽泡特性将与常规通道内的完全不同。

2.2 不同压力下的核化现象

固定系统压力、质量流量与入口过冷度不变并增加热流密度，加热壁面上会逐渐出现核化点。为了研究汽泡核化的分布情况，结合数字图像处理技术给出了多帧(共500帧)汽泡轮廓的叠加图像(图4)，图中轮廓线即为汽泡的外轮廓。基于此图可很方便地得到核化点的位置坐标信息，如图5所示。从图5可看出，在较低压力条件下，核化点的数目较多且分布较均匀。汽泡核化出现后不断生长，同时在生长过程中沿着壁面滑移，滑移生长一段时间后会发生冷凝并消失。大部分汽泡滑移的距离较短，汽泡的滑移距离与核化点之间的距离保持在同一数量级，有的甚至小于汽泡核化点之间的距离，上游产生的核化汽泡很少能经过下游核化点。此外所有核化点并非在同一时刻核化，这样就在很大程度上(空间上和时间上)降低了不同核化点之间汽泡的作用几率，因此不同核化点之间的汽泡的相互作用较少，上游滑移汽泡对下游核化点的影响也比较小。

图4 多帧汽泡轮廓叠加图像(p=0.1 MPa)

图5 较低压力下汽泡核化点位置坐标

系统压力升高后，加热壁面上的核化点主要集中在刚开始出现核化点的位置，较靠近实验段的入口部分，下游的核化点数目则较少。图6示出所拍摄位置处核化点的核化现象，在整个拍摄窗口内仅此1个核化点。与较低压力下汽泡的类似，汽泡核化出现后会沿着壁面滑移并生长，但汽泡的生长速度相对较慢。汽泡在整个观察窗内很少发生冷凝现象，汽泡生长后期直径变化较小并滑移出观察窗。汽泡的滑移距离相比较低压力条件下的要大得多，会发生从上游而来的汽泡与下游核化产生的汽泡聚合的现象，同时也会出现上游汽泡滑移过下游核化点与之接触的现象。

图6 压力升高后的核化点(p=0.2 MPa)

不同压力条件下汽泡核化点分布形式的不同主要是由汽泡的滑移所导致的。在较低压力条件下，由于汽泡的滑移距离较短，上游核化点产生的汽泡在未达到下游核化点位置处时就已冷凝并消失。核化点之间通过滑移汽泡而相互作用的情况较少，因此较低压力下的流动沸腾与池式沸腾较为类似。尽管壁面过热度和主流过冷度发生了变化，但加热表面的核化应较为均匀。压力升高后，与较低压力下相同，下游壁面过热度与流体温度均高于上游，因此下游的核化密度也应高于上游的。然而由于汽泡在贴近壁面滑移的过程中很少发生冷凝，汽泡滑移距离较长，超过了壁面核化点之间的平均距离，在很大程度上增加了上游来的汽泡与下游核化点之间的作用频率。上游核化点通过滑移汽泡与下游核化点之间发生作用，使下游核化点的汽化核心被滑移汽泡带走，很难形成有效的汽化核心，只有内控空穴才有可能核化产生汽泡，因此下游核化密度并未相应增加。此外，汽泡滑移距离增加会使汽泡之间的相互作用几率增加而导致汽泡的聚合，聚合形成的大汽泡在沿壁面滑移的过程中相对小汽泡而言与壁面之间的接触面积更大，从而加大了对壁面核化点的影响，从另一方面降低了下游的核化密度。总之，窄通道内较低压力条件下汽泡滑移距离较短，上游核化点基本不会影响下游核化点的核化，核化点分布比较均匀，然而在压力升高后由于汽泡的滑移使核化点之间发生了相互作用，降低了下游核化点的数量。

2.3 汽泡滑移对核化频率的影响

如前所述，压力升高后窄通道内的滑移汽泡会对下游核化点产生一定的影响，图7示出1个上游滑移汽泡经过核化点时的部分图像。上游滑移汽泡未经过前，该核化点累积所产生的汽泡数量随时间的变化规律如图8a所示，图8b示出了图7中滑移汽泡经过时的核化汽泡数量的变化，从汽泡累计数量的变化可知汽泡的核化频率的变化。从图8a可看出，在上游滑移汽泡未经过前，尽管略有波动，核化点处产生汽泡的频率整体而言是比较稳定的。图7中4 ms时(即图8b中62 ms处)滑移汽泡经过核化点，由于该滑移汽泡较大，其滑移速度也比该核化点处所产生的汽泡滑移速度大些，因此该滑移汽泡经过核化点后发生了一连串的汽泡聚合过程。在滑移汽泡经过核化点后的一段时间内该核化点处不再产生汽泡，不产生汽泡的时间约持续20 ms。在24 ms时(图8b中84 ms处)核化点处重新产生汽泡，经一段时间后，核化点处产生汽泡的频率很快恢复到滑移汽泡经过前的水平。此外从图中可明显看出，后面产生的核化汽泡直径相比滑移汽泡到来之前均小些。

a——上游滑移汽泡经过核化点前；b——上游滑移汽泡经过核化点

根据Hsu[12]的汽泡核化模型，对于相同的壁面结构条件，汽泡核化密度主要由壁面过热度、热边界层厚度以及液体的过冷度所决定。汽泡经过1个核化点后，主要会产生以下两个后果：1) 汽泡滑移经过核化点时会增强壁面附近的扰流作用，降低核化点处的壁面温度，导致核化频率有所降低；2) 汽泡经过后导致的扰流增强会使热边界层厚度有所减小，因此有效核化半径的范围减小。根据以上分析，汽泡在经过壁面后会降低有效核化半径的范围，因此汽泡经过核化点后会出现核化点处不再产生核化汽泡的现象，一段时间后壁面过热度以及热边界层会逐渐恢复，从而核化汽泡会重新出现。由于汽泡在核化点处所能达到的直径比较有限，所需的热量较少，因此汽泡的核化频率会很快增加到刚开始的水平。

由于以上原因，出现了不同压力条件下汽泡核化点分布完全不同的现象。在较低压力条件下，上游核化点所产生的汽泡滑移距离较短，汽泡在未达到下游核化点前就已冷凝消失，滑移汽泡不会对下游核化点附近处的壁面过热度和热边界层产生显著的影响，因此较低压力条件下核化点的分布较为均匀，同时核化点数目相比较低压力条件多很多。然而在系统压力升高后，汽泡的滑移距离较长且会影响到下游核化点处的壁面过热度以及热边界层，降低了下游区域内的有效核化点的数量，从而汽泡的核化点大都集中在上游区域内。

3 结论

本文对窄通道内不同压力下的汽泡滑移和核化现象进行了实验研究，通过分析所得图像数据得到以下结论。

1) 汽泡在窄通道内由于生长力和壁面润滑力的作用很难脱离加热壁面发生浮升现象，大多数汽泡脱离核化点后会继续沿着加热壁面进行滑移。

2) 在较低压力条件下，汽泡的滑移距离较短且小于核化点之间的平均距离，上游核化点产生的汽泡很少会影响到下游核化点；与之相反，压力升高后汽泡的滑移距离较长，上游核化点通过滑移汽泡会对下游核化点产生影响。

3) 较低压力下的汽泡核化点较为均匀，而压力升高之后的汽泡核化点主要集中在沸腾起始点附近，由于滑移汽泡的影响下游很少有核化点存在。

4) 滑移汽泡通过核化点后所带来的扰流会改变核化点附近的壁面过热度和热边界层厚度，从而暂时改变该核化点的核化频率，经一段时间后核化频率会逐渐恢复到原来的水平。

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