摇摆工况下窄矩形通道内两相沸腾摩擦压降特性

陈冲，高璞珍，余志庭，陈先兵

（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）

摇摆工况下窄矩形通道内两相沸腾摩擦压降特性

陈冲，高璞珍，余志庭，陈先兵

（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）

为了研究摇摆工况下窄矩形通道内的两相摩擦压降特性，进行了一系列的热工水力实验和理论分析。结果表明，摇摆工况下流体会受到附加惯性力的作用且实验回路的空间位置也会出现周期性的变化，两相摩擦压降梯度的波动振幅随着摇摆角度和摇摆周期的增加而增加；随着通道热通量的增加或者系统压强的减小，两相摩擦压降梯度的波动振幅和时均值逐渐增加。窄矩形通道内的质量流速随着两相摩擦压降梯度的波动而波动，且具有相同的波动周期，由于流体加速和压力传播的速度不同，流量波动和摩擦压降波动存在约1/4周期的相位差。

摇摆运动；窄矩形通道；相变；两相流；传热

引 言

最近几年，随着船舶领域的快速发展，海洋条件对船舶动力装置的影响越来越受到重视。船舶在海洋上航行时，海浪的作用将会使船舶发生摇摆、倾斜、俯仰和起伏运动，这些附加运动都会对船舶动力装置中的流动传热特性产生明显的影响。

过去几年，很多学者从基础实验和理论分析方面研究了海洋工况对单相流体的影响特性。Murata等[1]、Ishida等[2]、Tan等[3-4]在摇摆条件下对单相自然循环的流动传热特性进行了研究，结果表明，由摇摆运动而产生的附加压降将会导致自然循环回路的流量波动，并且流量波动的幅度随着摇摆振幅和摇摆频率的增加而增加，但是自然循环回路的平均流量随着摇摆振幅和摇摆频率的增加而减小。他们的结果还表明在摇摆工况下自然循环流量下降的主要原因是因为摇摆导致循环回路的阻力增加。Xing等[5-6]和Wang等[7-8]在强迫循环工况下研究了摇摆振幅、摇摆周期以及泵的驱动压头对流量波动振幅的影响，结果表明，在泵的驱动压头不变的工况下，流量的波动振幅随着摇摆振幅和摇摆频率的增加而增加，同时泵的驱动压头对流量以及摩擦阻力的波动有很大的影响。随着循环回路驱动压头的增加，流量和摩擦压降的波动振幅迅速减小，当回路驱动压头大于10倍的附加压降时，回路的流量将不会出现明显的波动。高高高等[9]提出并建立了核动力装置一回路冷却剂受海洋条件影响的数学模型，此模型对流体在海洋条件下的受力进行了详细的分析，并给出了附加压降的积分关系式，为以后的海洋条件下理论模型的建立奠定了基础。Yan等[10-13]数值模拟了摇摆工况下单相流体的流动传热特性，模拟结果表明，摇摆工况下流量波动主要受到附加惯性切向力的影响，而附加惯性向心力和科氏力的影响可以忽略不计；同时通道尺寸和Reynolds数对流体的流动传热特性有很大的影响，随着通道尺寸的减小和Reynolds数的增加，摇摆对流体流动传热特性的影响效果逐渐减小。

Xing等[14]在摇摆工况下对空气-水的流动特性进行了实验研究，结果表明在层流和过渡区域瞬时摩擦压降随着摇摆运动而产生波动，同时随着液相和气相流速的增加摩擦压降波动的振幅逐渐减小，在湍流区域瞬时摩擦压降并没有出现明显的周期性波动。Jin等[15-17]研究了摇摆工况下窄矩形通道内空气-水的流动特性，结果表明随着窄矩形通道窄缝高度的减小，附加压降对两相压降的影响逐渐减小。通道的空泡份额随着摇摆角度和摇摆频率的增加而增加，同时摇摆工况下的时均空泡份额小于稳态工况下的空泡份额。

综上所述，摇摆运动对单相流体的流动特性、传热特性都有很大的影响，但是摇摆对两相流体影响特性的相关研究比较少，大部分都集中在绝热工况下空气-水两相混合物的实验研究，而加热工况下摇摆对两相沸腾摩擦压降的影响特性还不是很清楚。紧凑式换热器在船舶动力装置中被广泛使用，主要是因为紧凑式换热器在单位体积内具有较大的换热面积和换热效率。一般来说，船用紧凑式换热器都是由一系列窄矩形通道组成，窄缝的高度为0.5～2 mm[18]。很多专家学者针对窄矩形通道和微通道进行了一系列的沸腾实验研究[19-25]，但是这些实验研究都是在稳态工况下进行的，而海洋条件下窄矩形通道和微通道的热工水力特性还没有得到详细的研究。为了更好地了解海洋条件下窄矩形通道内的热工水力特性，本文针对2 mm×40 mm的窄矩形通道进行了一系列的热工水力实验研究。

1 实验装置

机械摇摆热工水力实验装置如图1所示，主要由实验回路、数据采集系统和机械摇摆台组成，实验回路的最大质量流速为5000 kg·m−2·s−1，最大系统压强为3 MPa，机械摇摆台的最大载重为2 t。实验回路主要由实验主回路和冷却回路组成，冷却回路主要包括冷凝器、冷却水泵、冷却塔和水柜。实验主回路主要包括预热器、过滤器、窄矩形实验段、冷凝器、主泵、稳压器、电磁流量计和高频直流电源，高频直流电源用来加热窄矩形实验段，其最大的加热功率为100 kW，窄矩形通道的内尺寸为2 mm×40 mm，长度为1100 mm。预热器的主要作用是加热冷却水并维持实验段的入口水温，其最大的加热功率为45 kW。整个实验回路的系统压强由稳压器通过调节氮气的进气量控制。实验回路的流量是由电磁流量计进行测量，其测量误差在±0.3%以内；实验段的出入口水温由两个N型热电偶进行测量，测量误差在±0.2℃以内；实验段的压降用两个不同的压差传感器进行测量，量程分别为50 kPa和60 kPa，测量误差在±0.2%以内。

机械摇摆台由三相异步电机和减速箱提供动力并由曲柄摇杆机构进行控制，摇摆角度随时间的变化为

摇摆角速度和摇摆角加速度分别为

式中，θt、ωt、βt、θmax和T分别为瞬时摇摆角度、摇摆角速度、摇摆角加速度、最大摇摆角度和摇摆周期。

图1 机械摇摆热工水力实验装置Fig.1 Mechanical rolling thermal-hydraulic experimental facility

2 数据处理

在摇摆工况下实验通道内流体的受力分析如图2所示，与稳态工况相比摇摆工况下流体会额外受到附加惯性切向力、附加惯性法向力和科氏力的作用，这些附加惯性力会对流体产生相应的加速度和附加压降。

式中，ace为附加惯性法向加速度，m·s−2；ata为附加惯性切向加速度，m·s−2；aco为科氏加速度，m·s−2；u为流体的速度，m·s−2；r为摇摆轴到流体质点的距离。

如图2所示，实验通道的附加压降为

将式(4)～式(6)代入式(7)中得

由于整个测压装置都安装在摇摆实验台上，而且连接窄矩形实验段和压差传感器的引压管中充满了去离子水，所以在实验台摇摆过程中，引压管中去离子水也会产生相应的附加压降，而且引压管中的水温和加热实验通道中的水温存在差异，这就导致了实验测量的压差和实验段中的实际压差并不一致。在计算窄矩形通道的实际压降时需要考虑附加压降和密度差带来的影响。

式中，Δpmea为压差传感器测量的压差，Δptp,f为两相摩擦压降，Δptp,acc为两相加速压降，Δptp,g为两相重位压降，Δpadd,tot为整个测压回路的附加压降，ρc为引压管中冷却水的密度，Δpadd,21、Δpadd,42、Δpadd,34和Δpadd,13分别为实验段21、42、34和13的附加压降，如图2所示。

图2 摇摆工况下流体的受力分析Fig.2 Force analysis of fluid element under rolling motion

实验通道内的重位压降和加速压降由均相流模型得

式中，g为重力加速度，xe为平衡态含气率，G为质量流速，ρg和ρf分别为饱和汽、饱和水的密度。

3 实验结果与讨论

3.1 摇摆对两相摩擦压降梯度的影响

摇摆角度和周期对窄矩形实验通道内摩擦压降梯度的影响如图3和图4所示，A15T10意味着摇摆角度为15°、摇摆周期为10 s。通道内的摩擦压降梯度随着实验台的摇摆运动而产生明显的波动，摩擦压降梯度的波动周期与摇摆周期一致，同时摩擦压降梯度的波动振幅随着摇摆角度的增加而逐渐增加。这主要是因为随着摇摆台的运动，实验主回路会出现明显的空间变化，来自于加热实验通道的汽水混合物会在冷凝入口区域出现周期性的拥堵和疏通，如图5所示。当摇摆台向负最大角度（−θmax）运动过程中，由于浮力的作用气泡会聚集在冷凝器入口腔室的最高处，同时气泡会聚集形成汽团，阻碍汽水混合物的流动，导致了实验段出口至冷凝器入口的空间静压迅速升高，从而引起实验段通道内的饱和水温升高，在相同的热通量工况下，通道内的沸腾程度会逐渐减小，质量含气率减小，从而导致摩擦压降梯度减小；当摇摆台向正最大角度（+θmax）运动过程中，由于实验回路的空间位置有利于拥堵在冷凝器入口的汽团迅速流入冷凝器冷却，实验段出口至冷凝器入口的空间静压减小，实验通道内的饱和水温降低，沸腾程度增加，质量含气率增加，从而导致摩擦压降梯度增加。随着摇摆角度的增加，实验回路空间位置的变化量增加，汽水混合物在冷凝器入口拥堵和疏通的程度增加，实验通道内质量含气率的波动振幅增加，导致了摩擦压降梯度的波动振幅增加。

图3 摇摆角度对两相摩擦压降梯度的影响Fig.3 Effect of rolling amplitude on two-phase frictional pressure gradient

图4 摇摆周期对两相摩擦压降梯度的影响Fig.4 Effect of roll period on two-phase frictional pressure gradient

摇摆周期对两相摩擦压降梯度的影响如图4所示，随着摇摆周期的增加，两相摩擦压降梯度的波动振幅略微增加，这主要是因为随着摇摆周期的增加，来自加热通道的汽水混合物拥堵在冷凝器入口腔室的时间和程度都会增加，从而导致摩擦压降梯度的波动振幅增加。随着摇摆周期的减小，两相摩擦压降梯度的波动振幅不是很均匀，主要是因为随着摇摆周期的减小，汽水混合物在冷凝器入口腔室的聚合和破裂比较剧烈，压强的波动幅度会出现不均匀的现象。

图5 实验回路随摇摆运动的轨迹Fig.5 Trajectory of experimental loop under rolling motion

3.2 热通量对两相摩擦压降梯度的影响

摇摆工况下热通量对两相摩擦压降梯度的影响如图6所示，系统压强为1.20 MPa，时均质量流速为250 kg·m−2·s−1。两相摩擦压降梯度的时均值随着热通量的增加而增加，这主要是因为随着热通量的增加，气泡的产生和脱离频率增加，流体的湍流程度增加，沸腾强度增加，通道的质量含气率增加，两相摩擦压降梯度的时均值增加。两相摩擦压降的波动振幅随着热通量的增加而迅速增加，其主要原因是随着热通量的增加，窄矩形通道出口的质量含气率增加，汽水混合物拥堵在冷凝器入口腔室的程度增加，摩擦压降梯度的波动振幅增加。

图6 热通量对两相摩擦压降梯度的影响Fig.6 Effect of heat flux on two-phase frictional pressure gradient

3.3 系统压强对两相摩擦压降梯度的影响

摇摆工况下系统压强对两相摩擦压降梯度的影响如图7所示，通道的热通量为341 kW·m−2，时均质量流速为527 kg·m−2·s−1。两相摩擦压降梯度的时均值随着系统压强的增加而逐渐减小，其主要原因分为两个方面：第一是随着系统压强的增加，通道内工质的饱和温度升高，在相同的热通量工况下，气泡数量以及脱离频率减小；第二是随着系统压强的增加，气泡的平均直径迅速减小，也就是说随着系统压强的增加，气泡的数量和直径都减小，通道内的沸腾程度减小，质量含气率减小，两相摩擦压降梯度减小。随着系统压强的增加两相摩擦压降梯度波动的振幅减小，其主要原因是随着系统压强的增加，实验通道出口质量含气率减小，汽水混合物在冷凝器入口腔室的拥堵程度减小。

图7 系统压降对两相摩擦压降梯度的影响Fig.7 Effect of system pressure on two-phase frictional pressure gradient

3.4 摩擦压降梯度对质量流速的影响

两相摩擦压降梯度对质量流速的影响如图8所示，质量流速随着两相摩擦压降梯度的波动而波动，它们具有相同的波动周期，而且其相位差约为1/4周期。主要是因为随着摩擦压降梯度的周期性变化，通道内流体的加速度将会出现周期性的变化，同时流体的速度为流体加速度的积分，从而导致两相摩擦压降梯度和质量流速之间的相位差。随着摩擦压降梯度的增加，通道内的阻力增加，质量流速将会减小，反之随着摩擦压降梯度的减小，通道内的阻力减小，在主泵驱动压头的作用下，质量流速将会增加。

图8 质量流速随两相摩擦压降梯度的变化Fig.8 Mass flux changes with two-phase frictional pressure gradient

4 结 论

（1）窄矩形通道内两相摩擦压降梯度的波动周期与摇摆周期一致，且波动振幅随着摇摆角度和摇摆周期的增加而增加，影响两相摩擦压降梯度波动的主要原因是摇摆工况周期性地收变了实验回路的空间位置，汽水混合物在冷凝器入口处出现周期性的拥堵和疏通，导致实验通道内的静压出现周期性的增加和减小，通道内的质量含气率出现周期性的变化。

（2）两相摩擦压降梯度的时均值和波动振幅随着热通量的增加而增加，随着系统压强的增加而减小，其主要原因是窄矩形通道内的沸腾程度和出口含气率随着热通量的增加和系统压强的减小而增加。

（3）窄矩形通道内的质量流速和两相摩擦压降具有相同的波动周期，且存在大约为1/4周期的相位差。

符 号 说 明

A——摇摆角度，（°）

F——附加惯性力，N

G——质量流速，kg·m2·s−1

g——重力加速度，m·s−2

l——通道长度，m

p——系统压强，MPa

Δptp——两相压降，kPa

q——热通量，kW·m−2

T——摇摆周期，s

t——时间，s

xe——平衡态含气率

β——角加速度，rad·s−2

θmax——最大摇摆角度，（°）

ρ——密度，kg·m−3

ω——角速度，rad·s−1

下角标

acc——加速压降

add——附加压降

ave——时均值

c——冷却水

f——摩擦压降

g——重位压降

max——最大值

mea——测量值

min——最小值

tp——两相工况

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Two-phase frictional pressure drop characteristics of boiling flow in rectangular narrow channel under rolling motion

CHEN Chong, GAO Puzhen, YU Zhiting, CHEN Xianbing
(Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin150001,Heilongjiang,China)

In order to investigate the two-phase frictional pressure drop characteristics of boiling flows in a rectangular narrow channel under rolling motion, a series of thermal hydraulic experiments and theoretical analysis are performed. The results demonstrate that the additional inertial force is imposed on the fluid and the space of experimental loop will vary periodically under rolling motion. The fluctuation amplitude of the two-phase frictional gradient increases with increasing rolling angle and rolling period. The fluctuation amplitude and time average value of the two-phase frictional pressure gradient increase with increasing heat flux, while it decreases with the increase of system pressure. The mass flux varies with the fluctuation of frictional pressure gradient at the same period. The phase change between the fluctuation of mass flux and frictional pressure gradient is approximately equal to 1/4 rolling period due to the velocity difference of the pressure propagation and mass flux increases.

rolling motion; rectangular narrow channel; phase change; two-phase flow; heat transfer

GAO Puzhen, gaopuzhen@sina.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150126

TL 334

：A

：0438—1157（2015）10—3874—07

2015-01-26收到收收，2015-05-21收到收收收。

联系人：高高高。

：陈陈(1989—)，男，博博研究生。

国家自然科学基金项目(50806014)。

Received date: 2015-01-26.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China(50806014).