文丘里式气泡发生器气泡碎化特性研究

唐文偲，阎昌琪，孙立成，刘 卫，李 华

(1.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；

2.中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800)

反应堆在运行过程中，堆中会产生氙、氪等中子吸收截面较大的裂变气体，氙和氪是反应堆运行中最重要的中子毒物，会对反应堆运行过程中反应性的变化产生重要影响。所以，在熔盐堆运行过程中必须要实时地、不断地去除氙和其他裂变气体，以保证热中子的利用率和反应堆反应性的相对稳定[1]。熔盐堆以熔融态氟化物作为燃料，产生的氙和氪随燃料盐在反应堆中循环。熔盐堆区别于其他反应堆的一个很重要的特点就是能对产生的裂变气体进行在线去除。在熔盐堆除气系统中气泡发生器的作用是产生一定尺寸且大小均匀的氦气气泡。含量一定的气泡进入燃料盐回路后，通过质量转移吸收裂变产生的氙和氪，含裂变产物气体的气泡，通过除气回路中的分离器从熔盐中分离，进而达到除去氙和氪的目的。

本文基于橡树岭国家实验室(ORNL)气泡发生器的设计，为小型钍基熔盐研究堆设计新的气泡发生器，同时在专门的水回路上对其碎化特性进行测试，通过高速摄像系统，对气泡发生器气泡的产生过程及影响因素进行研究。

1 实验装置

1.1 气泡发生器结构设计

熔盐堆除气系统采用文丘里式气泡发生器[2]。该系统要求气泡发生器在设计流量下、截面含气率为0.3%时能产生直径为0.5 mm的气泡，且气泡在熔盐中能均匀分布。由于文丘里式气泡发生器安全性高、结构简单且流动阻力小，最终被熔盐堆除气系统所采用。

本文在ORNL气泡发生器结构基础上，参考多种类型的气泡发生器，设计一新的文丘里式气泡发生器[3-7]，其基本结构如图1所示。该气泡发生器主要由收缩段、喉部、扩张段和注气环腔4部分组成。流体在收缩段压力降低，流速增加，在喉部流速达到最大值，最后经扩张段压力逐渐恢复，流速减小。气体在进入喉部前，先进入一注气环腔，环腔通过15个均匀分布的1 mm小孔与喉部相通，气体通过这些小孔进入到文丘里式气泡发生器的喉部。

图1 文丘里式气泡发生器示意图

1.2 实验回路和实验方法

图2 实验系统示意图

实验回路主要由供水系统、供气系统、气泡发生器、数据采集系统和高速摄像系统5部分组成，如图2所示。实验以空气和水为工质，水箱中的水通过离心泵的驱动进入气泡发生器入口，空气经储气罐进入气泡发生器喉部，在扩张段气泡被高速流动的水的湍流作用碎化为大量微小气泡，随水流出气泡发生器。最终，水经由回水管路返回水箱，气泡则排入大气。气泡发生器竖直放置，在发生器出口稳定段的下游，安装了一截面为方形的观察段，可方便地观察气泡运动过程和测量气泡的尺寸。在文丘里式气泡发生器的入口、喉部和出口各有测压点，入口测压点距收缩段20 mm，出口测压点距扩张段20 mm。由于可视化需要，文丘里式气泡发生器材料为有机玻璃。

压力采用精度为0.04级的压力传感器测量，气液流量分别采用精度为1级和0.1级的质量流量计测量。流量和压力信号均由NI数据采集系统采集，并记录在计算机中；图像信息由高速摄像系统采集。本实验的液相和气相体积流量分别为10～30 m3/h和0～0.12 m3/h。

高速摄像系统由高速摄像仪、光源和计算机组成。实验采用Photron公司FASTCAM SA5型高速摄像仪。高速摄像仪拍摄帧速为5 000～10 000帧/s，曝光时间为0.05 ms。

碎化后气泡的直径可在气泡发生器上部方管段进行拍摄和测量，先由高速摄像仪拍摄得到气泡图像，然后在同等拍摄条件下拍摄1张标尺照片，使用图像分析软件对标尺照片进行定标，给定标尺后即可较准确地测量出图片区域内每个气泡的直径[8-9]。气泡直径测量过程如图3所示。经实验观察，气泡发生器产生的气泡分布较为均匀，拍摄区域内的气泡在不同时刻分布大体相同，为了消除因选取不同时刻的照片对气泡直径测量产生的影响，在每个工况下选取若干张连续气泡照片进行分析，统计测量出该工况下产生气泡的平均直径。每个工况参数条件下的平均直径，利用体积平均方法得到[2]。体积平均直径dv定义如下：

(1)

式中，ni为气泡直径为di的气泡个数。

图3 气泡直径测量过程

2 实验结果分析

2.1 气泡发生器气泡碎化过程

图4为水流量Ql=20 m3/h、气流量Qg=0.06 m3/h时气泡发生器中气泡的碎化过程。从喉部小孔出来的较大气泡，在高速流体的作用下，在文丘里式气泡发生器喉部的内壁形成连续的一串气泡，一直延伸至扩张段入口。在扩张段，气泡速度降低，其形状剧烈地发生变化，并在高速流体强烈的紊流作用下，碎化成更小气泡。随后而来的较大气泡不断碎化，在扩张段形成了大量的微小气泡，随水流一起扩散至整个流道。

图4 气泡发生器中气泡的碎化过程

图5示出气泡碎化的详细过程。为方便观察，实验时用高速摄像仪集中拍摄1个注气孔出来的气体，跟踪1个气泡的变化过程。高速摄像仪的拍摄帧速为10 000帧/s，选取连续的50帧图片，6张图片中箭头所指为每隔1 ms气泡所处的位置和形状。由图5a可看出，大气泡在进入扩张段前保持理想的球体形状，在进入扩张段紊流区域后，气泡外形变为椭圆形，在紊流力和表面张力的共同作用下进一步被挤压成帽状，直至最后撕裂破碎成小气泡，碎化过程示意图如图5b所示。另外，气泡的碎化集中在距离扩张段入口10 mm处，这个区域内的紊流强度最大，大气泡进入这个区域后速度明显降低，存在一滞止时间。气泡碎化现象只有在管内紊流强度足够高，且滞止时间大于碎化所需的时间时才能发生。管内水流速越大，紊流强度越高，气泡越易碎化。

由气泡发生器的工作原理可知，扩张段紊流的强度直接影响文丘里式气泡发生器对气泡的碎化效果。在文丘里式气泡发生器结构尺寸一定时，流体在喉部的速度越大，它在扩张段的紊流强度也越大。图6a为水流量Ql=15 m3/h、气流量Qg=0.03 m3/h时扩张段的气泡碎化情况；当喉部水流量Ql=20 m3/h、维持气流量不变时，扩张段的气泡碎化情况如图6b所示。从图中可看出，当喉部水流量增加时，文丘里式气泡发生器对气泡的碎化作用加强，产生的气泡变小，气泡数量增多。

图5 气泡的详细碎化过程

a——Q1=15 m3/h；b——Q1=20 m3/h

2.2 碎化过程与雷诺数的关系

文丘里式气泡发生器产生的气泡是在扩张段流体强烈的紊流作用下形成的。由于气泡的尺寸远大于流道内的黏性底层的厚度，因而，气泡的碎化不可能是由于流体的黏性剪切力造成的。研究表明，气泡的尺寸是由紊流力和气泡的表面张力共同决定的。

紊流惯性力Fi由单位体积的能量耗散率εv决定[10]：

(2)

其中：ρ为流体密度；d为气泡直径；gc为正比例常数。

表面张力Fs的表达式为：

Fs≈σd

(3)

式中，σ为表面张力系数。

定义紊流韦伯数We为：

(4)

无量纲韦伯数是控制气泡尺寸的一关键参数。由式(4)可知气泡直径d为：

(5)

式(5)最先由Hinze[11]提出，为了确定气泡的尺寸，须已知能量耗散率εv，Kress[10]的研究表明若扩张角不是很大，则εv可通过下式决定：

(6)

其中：μ为动力黏度；D为喉部直径；Re为喉部的液相雷诺数。

将式(6)代入式(5)，可得：

d/D≈(gcσρD/μ)3/5/Re11/10

(7)

由式(7)可看出，紊流区域内产生的气泡的直径同Re-1.1呈正比关系。

图7为不同气流量下水流量Ql为15～25 m3/h时碎化后气泡无量纲直径(dv/D)与液相雷诺数的关系。由图7可知，气泡直径随雷诺数的增加而减小，说明雷诺数的增加增强了气泡发生器的碎化效果，产生的气泡更小。另外，在同一水流量下，气泡直径随气流量的增大而增大。对不同工况下的实验数据进行拟合，得到拟合曲线及其公式，拟合公式中雷诺数的指数为1.3，与理论指数1.1较为接近。

图7 气泡直径随雷诺数的变化

3 结论

1) 本文设计的气泡发生器在水流量21 m3/h、气流量0.06 m3/h、截面含气率0.3%时，产生的气泡平均直径为0.5 mm左右，满足设计要求。

2) 气泡的碎化发生在文丘里式气泡发生器的扩张段，且主要集中在一固定区域，气泡在此区域内由于紊流的作用，发生剧烈变形，最终破裂成更多的小气泡。

3) 实验得出的液相雷诺数与气泡无量纲直径(dv/D)的关系能很好地反映出碎化过程与雷诺数的关系，但实验数据的拟合公式与理论公式相比仍存在一定的误差。

参考文献：

[1] ROBERTSON R C, SMITH O L. Two-fluid molten-salt breeder reactor design study, ORNL-4528[R]. US: Atomic Energy Commission, 1968.

[2] GABBARD C H. Development of a Venturi type bubble generator for use in the molten-salt reactor xenon removal system, ORNL-TM-4122[R]. US: Atomic Energy Commission, 1972.

[3] 邵延海. 浮选柱气泡发生器充气性能及应用研究[D]. 长沙：中南大学，2004.

[4] 刘炯天，王永田. 自吸式微泡发生器充气性能研究[J]. 中国矿业大学学报，1998，27(1)：27-30.

LIU Jiongtian, WANG Yongtian. Study on performance of self-absorbing microbubble generator[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 1998, 27(1): 27-30(in Chinese).

[5] 陈文义，肖建立. 气泡发生器结构分析及设计[J]. 煤矿机械，2000(10)：1-2.

CHEN Wenyi, XIAO Jianli. The structure analysis and design of bubble generator[J]. Coal Mine Machinery, 2000(10): 1-2(in Chinese).

[6] 徐振华，赵红卫，方为茂，等. 金属微孔管制造微气泡的研究[J]. 环境污染治理技术与设备，2006，7(9)：78-82.

XU Zhenhua, ZHAO Hongwei, FANG Weimao, et al. Research on microbubbles generation by metal microporous tube[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control, 2006, 7(9): 78-82(in Chinese).

[7] SADATOMI M, KAWAHARA A, KANO K, et al. Performance of a new micro-bubble generator with a spherical body in a flowing water tube[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2005, 29(5): 615-623.

[8] 画像解析编辑委员会. 画像解析[M]. 东京：东京大学出版会，1991.

[9] BILLET M L. Cavitation nuclei measurement with an optical system[J]. J Fluids Eng ASME, 1986, 108: 366-372.

[10] KRESS T S. Mass transfer between small bubbles and liquids in cocurrent turbulent pipeline flow, ORNL-TM-3718[R]. US: Atomic Energy Commission, 1972.

[11] HINZE J O. Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitting in dispersion processes[J]. AIChE Journal, 1955, 1(3): 289-295.