窄矩形通道内汽泡聚合行为研究

郑 强，高璞珍，许 超，高 风，胡 健

(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)

窄矩形通道具备强化换热的特性，能满足小体积、高功率的要求，其中的流动换热在工程中有较广泛的应用[1-2]，例如美国的核动力舰船采用的均是板状燃料组件设计。目前对于较高压力下窄矩形通道内过冷沸腾过程中的汽泡行为研究还较少。在已有的研究中，多是关注单个汽泡的行为特征，例如生命周期、生长曲线和脱离直径等，而对汽泡间相互作用的研究就更少。文献[3]对低热流密度孤立汽泡区域的滑移汽泡的聚合作用进行了可视化研究，指出滑移汽泡的聚合作用是一种积极的作用，有利于该区域附近换热的提高。文献[4]以戊烷和R-113为工质，人工造成3个核化点，研究了池式沸腾时的汽泡聚合现象。发现远离加热面的聚合对沸腾传热的影响很小；在壁面附近竖直汽泡的聚合可能会导致沸腾危机；在壁面附近水平汽泡的聚合会强化换热，也可能引起沸腾危机。文献[5]指出汽泡聚合特性的差异随系统压力的增加变得明显。在较低压力及热流密度下，汽泡聚合后会被主流凝结；增加热流密度，汽泡聚合后形成较大的汽团沿加热壁面滑动。本文采用可视化实验方法，对孤立汽泡区的过冷沸腾汽泡的聚合行为进行研究，丰富现有的结果，以得到一些定性的结论。

1 实验装置和方法

图1 实验回路示意图

图1为实验回路示意图。整个实验回路为闭式循环结构，以纯净水为实验工质，由泵驱动。工质在流经实验段前，由预热器加热到一定温度，使实验段入口温度满足设定值。实验段的加热方式为单面电加热。工质流出实验段后进入冷凝器进行冷凝。在泵的下游管道上装有稳压器，与氮气瓶连接，以此来使系统达到并稳定在设定压力值。流量通过改变旁通阀的开度及主回路上阀的开度来共同调节。

图2为实验段结构。实验段为矩形窄通道，尺寸为2 mm×40 mm×700 mm，其中加热长度为550 mm。实验段一侧为加热面，材料为不锈钢，用直流电加热，通过改变电流来调节热流密度，另一侧为观察面，材料为石英玻璃，高速摄影仪透过石英玻璃拍摄汽泡行为。

图2 实验段结构

实验中的流量、压力、温度等测量参数通过NI数据采集系统实时传送到计算机，以备需要时进行数据处理。实验中所用的主要测量仪表精度列于表1。

表1 测量仪表精度

实验中所用的高速摄影仪型号为Photron FASTCAM SA5，其最高拍摄速度可达100万帧/s，机身内存为32 G。实验中所得到的图形数据首先存储在摄像机的内存中，随后通过GB以太网传输并存储在计算机硬盘上。在满足对拍摄区域进行放大和合适对焦距离的前提下，高速摄影仪采用型号为SIGMA MACRO 105 mm/F2.8的镜头。

实验开始前，先对水加热十几至几十个小时，使溶解于水中的不凝性气体逸出，通过上面的排气阀排出，以减少不凝性气体对实验结果的影响。

2 实验结果及分析

实验中的相关参数为：实验段入口处绝对压力pin=0.55 MPa，入口温度tin=124 ℃，入口过冷度Δtin=31 ℃，质量流速G=516 kg/(m2·s)，平均速度v=0.52 m/s。

高速摄影仪拍摄速度为5 000 帧/s，即每两张图像的时间间隔为0.2 ms。

2.1 汽泡聚合过程中形态变化

图3示出3组不同的两个汽泡聚合时的形态变化，图中数字为时间，单位为ms。根据汽泡的形态变化将汽泡的聚合过程分为以下4个阶段。1) 相互靠近阶段：从相互靠近开始到两个汽泡各自的相界面开始接触；2) 汽泡融合阶段：从两个汽泡的相界面开始接触并融合到汽泡首次成为凸面体；3) 汽泡调整阶段：从融合结束开始，到汽泡的形态不断调整并最终达到稳定；4) 汽泡稳定阶段：汽泡调整完毕后继续运动阶段。其中较为重要的是汽泡的融合阶段和调整阶段。在聚合前，两汽泡的速度达到稳定，大汽泡的上升速度较小汽泡的大，所以观察到的汽泡聚合行为多是大汽泡从下方追赶上小汽泡。两个汽泡的相界面接触后也可能再次分开，未必就会融合在一起，这与相界面复杂的物理、化学性质以及两汽泡的接触角度相关。一般两个汽泡接触时越接近竖直方向越易融合在一起，越接近水平方向越不易融合在一起。汽泡融合后的调整阶段可能持续较长的时间，开始阶段的震荡较剧烈，而后逐渐减弱，但要达到类似于单个汽泡聚合前的稳定状态，则需要较长的时间。汽泡聚合前的尺寸越大，震荡越剧烈。

2.2 汽泡聚合前后速度变化

图4为与图3中3组汽泡相对应的汽泡竖直方向的速度变化。由图4可看出，汽泡聚合前的速度基本达到稳定(看上去曲线的起伏虽较大，但实际值相差很小)，聚合后的汽泡速度先增大再减小。如果时间足够长，最后会达到稳定。徐建军等[3]在其研究中指出，滑移汽泡间开始相互作用的影响距离约是其平均直径的2倍，滑移汽泡间的聚合作用是一种积极的作用，共同使滑移汽泡的运动速度增加，有利于该区域附近换热的提高，本文中未观察到类似的汽泡运动现象。汽泡聚合前的速度基本保持稳定，两汽泡均无明显的加速过程。这可能是由于本文中拍摄的图像窗口大小有限，图中0时刻两汽泡已相距较近，已处于相互作用的末期，加速不明显；也可能是由于汽泡运动速度、主流速度、汽泡大小以及流道尺寸的影响造成的不同结果。两个汽泡相互影响，是因为下部汽泡进入上部汽泡的尾流区受到尾流的作用。如果尾流的产生对原有流场参数的改变很小，那么两个汽泡的相互作用就难以体现出来。

聚合前汽泡大小：a——Dup=0.35 mm，Ddown=0.50 mm；b——Dup=0.60 mm，Ddown=0.70 mm；c——Dup=0.43 mm，Ddown=0.55 mm

图4 汽泡速度变化

2.3 汽泡聚合过程中角度变化

图5示出与图3中3组汽泡相对应的汽泡聚合过程中的角度变化。图5中的0时刻指汽泡融合开始时刻，与图4中的0时刻不同。在此，角度指聚合汽泡的长轴与竖直方向间的夹角，由聚合汽泡的长轴逆时针转向竖直轴。此角度的变化体现出了一定的规律性，尤以图5b所示的最为明显：1) 开始时角度的分布很集中，有明显的最大值和最小值，且最大值与最小值间的差值约在80°～90°之间，说明汽泡的颤动过程中连续两次出现的长轴近乎垂直；2) 随着时间的推移，角度分布逐渐分散，汽泡越来越接近圆形，调整缓慢趋于稳定。

图5 汽泡角度变化

2.4 汽泡聚合过程中轴长变化

图6 汽泡轴长变化

图6示出图3b中汽泡聚合过程中长轴和短轴的长度变化趋势(图3a和图3c中的趋势与图3b中的基本相同)。图中0时刻是汽泡融合开始时刻。在0时刻，两个汽泡刚接触，因此长轴最长；在此后的调整阶段，显然可看出长轴变长时短轴变短。汽泡的长轴会缓慢衰减，短轴的变化趋势不太明显。图7是与图6相对应的汽泡长轴变化拟合曲线。在图6中的长轴变化曲线的各极大值附近选取3个点求取平均值，应用Origin进行数据拟合，得到的曲线方程为：

L=1.063-0.012exp(t/2.667)

可看出长轴轴长按指数规律衰减。

2.5 聚合诱导小汽泡的产生

当两个汽泡聚合时，尤其当这两个汽泡较大时，会在聚合过程中产生1个小汽泡。这在图3b、c中均有显示。图3b中5.8 ms时刻，两个汽泡融合后长轴达到最长，之后开始变短，此时由于惯性作用，在长轴的上顶端，有少量气体与主体分离，分离的少量气体吸收热量，逐渐长大成1个小汽泡。图3c中少量气体与主体的分离发生在6.2 ms时刻，也是发生在长轴的顶端。分离后长大的小汽泡可能会再次被大汽泡吞并(图3b)，也有可能脱离大汽泡的控制成为1个自由的汽泡(图3c)。对实验图像的观察发现，这种小汽泡的产生是一种较常见的现象，且每次只观察到产生1个小汽泡。

图7 汽泡长轴变化拟合曲线

3 结论

本文采用可视化的实验方法，对过冷沸腾竖直窄矩形通道内的汽泡聚合现象进行了研究。将汽泡的聚合过程分成4个阶段：靠近、融合、调整和稳定阶段。并主要对汽泡聚合过程中的速度、角度、轴长变化以及诱导产生小汽泡的现象进行了研究，发现汽泡聚合过程中形态会以椭球形—圆形—椭球形交替的形式变化，同时得到以下结论：

1) 聚合汽泡的运动速度先增大再减小，然后渐渐趋于稳定；

2) 聚合汽泡前后两次出现的椭球形的长轴近乎垂直，且随着调整的进行，椭球形越来越不明显，而越来越趋于球形，直至稳定阶段；

3) 汽泡聚合过程中长轴变长时，短轴变短；长轴轴长总体上按指数规律衰减，短轴轴长总体上变化趋势不明显；

4) 两个较大的汽泡聚合时，往往会在融合结束阶段由上部汽泡甩出少量气体。这些少量气体被加热，会长成1个小汽泡。新长成的小汽泡可能被大汽泡吞并聚合，也可能成为1个自由汽泡。在本实验中，观察到每次只会产生1个小汽泡。

参考文献：

[1] 徐建军,陈炳德,熊万玉,等. 窄间隙矩形多通道流动交混特性数值模拟[J]. 核动力工程,2008,29(3):14-17.

XU Jianjun, CHEN Bingde, XIONG Wanyu, et al. Numerical simulation of hydrodynamic mixing in narrow rectangular multi-channel[J]. Nuclear Power Engineering, 2008, 29(3): 14-17(in Chinese).

[2] 潘良明,辛明道,何川,等. 垂直矩形窄缝内的过冷流动沸腾换热性能[J]. 热科学与技术,2002,1(2):185-188.

PAN Liangming, XIN Mingdao, HE Chuan, et al. Subcooled boiling heat transfer performance in narrow vertical rectangular channel[J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2002, 1(2): 185-188(in Chinese).

[3] 徐建军,陈炳德,王小军. 竖直矩形窄缝通道滑移汽泡聚合作用可视化实验研究[J]. 原子能科学技术,2011,45(5):548-553.

XU Jianjun, CHEN Bingde, WANG Xiaojun. Experimental visualization coalesced interaction of sliding bubble near wall in vertical narrow rectangular channel[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2011, 45(5): 548-553(in Chinese).

[4] BONJOUR J, CLAUSSE M, LALLEMAND M. Experimental study of the coalescence phenomenon during nucleate pool boiling[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2000, 20: 180-187.

[5] 袁德文. 窄流道内高过冷流动沸腾条件下的汽泡演化特性及机制[D]. 重庆:重庆大学,2010.