含不凝性气体的蒸汽气泡凝结过程研究

唐继国，阎昌琪，＊，孙立成，侯晓凡

（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；2.四川大学水利水电学院，四川成都 610207）

含不凝性气体的蒸汽气泡凝结过程研究

唐继国1，阎昌琪1，＊，孙立成2，侯晓凡1

（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；2.四川大学水利水电学院，四川成都 610207）

利用高速摄像仪对高过冷度下含不凝性气体的蒸汽气泡冷凝及破裂过程进行可视化研究，以分析不凝性气体对气泡微细化沸腾（MEB）过程的影响。实验结果表明：初始不凝性气体体积份额x0小于2.5%时，气泡突然破碎成大量微小气泡；x0在2.5%～7.5%之间时，较大气泡只会分裂成数个小气泡；x0大于7.5%时，气泡界面非常稳定，不会发生破碎和分裂现象。此外，当蒸汽气泡中含有较多不凝性气体时，气泡凝结过程减弱，液体对气泡的惯性冲击减小，气泡不易破裂。由此可表明，在气泡微细化沸腾发生时，不凝性气体的存在会阻碍加热面上气泡的破碎，从而降低传热能力。

不凝性气体；气泡凝结；气泡破裂；气泡微细化沸腾

一定过冷度下，可能会发生一种伴随大量微小气泡喷射的特殊沸腾现象，且其热流密度远高于常规临界热流密度（CHF），这一现象被称作气泡微细化沸腾（MEB）。由于其具有极高的传热能力，MEB在核能、微电子、制冷等领域，均具有极好的应用前景。Inada等［1］首先注意到MEB现象，而后Shoji等［2］和Tange等［3］对铂丝上的MEB现象进行了观察。而进一步的研究表明，过冷度、流速、压力、重力、工质、不凝性气体和管道尺寸等，均对MEB现象有较大的影响［4－8］。Ueno等［9－10］向过冷水中注射蒸汽，以模拟MEB过程中蒸汽气泡与过冷液体之间的相互作用。他们发现随过冷度的提高，气液界面上的扰动会加剧，并导致气泡破裂。Suzuki等［11］认为由冷凝引发的气泡破碎是MEB产生的重要原因。

目前，关于MEB的研究大多处于实验阶段，其确切的形成机理尚不清楚。气泡的破裂和冷凝过程对于MEB的研究十分重要［9－11］。然而，由于气相、液相和固相间极其复杂的相互作用，很难在复杂的沸腾系统中直接对这一过程进行研究。Ueno等认为，可通过向过冷水中注入蒸汽气泡来模拟复杂沸腾中过冷液体与气泡间的相互作用，以此来简化MEB形成机理的分析［9－10］。因此，本文为分析不凝性气体对MEB的影响，向过冷水中注入含有不凝性气体的蒸汽来研究含不凝性气体的蒸汽气泡与过冷水间的相互作用。

1 实验装置与数据处理

1.1 实验装置

图1为实验装置简图。实验过程中蒸汽由蒸汽发生装置产生，通过内径为2 mm的圆管注入水箱（300 mm×240 mm×120 mm）中。蒸汽管道外壁包有隔热材料以减少热量损失。由于每组实验时间间隔不超过3 s，且蒸汽注入量较小，因此，在实验过程中水箱内液体温度升高不会超过1℃。将每组实验前后测得的水箱内温度平均值作为液体温度。在实验前将过冷度调至85 K左右，系统压力为1个大气压。在实验前向蒸汽发生装置中加入未除气的水，且保持蒸汽发生装置处于较低水位。当蒸汽气泡被注入过冷水时，立即记录气泡冷凝破裂过程。随着实验进行，蒸汽中不凝性气体含量逐渐降低，进而获得不同不凝性气体含量下蒸汽气泡凝缩或破裂过程。气泡凝结过程由PHOTRON公司生产的Fastcam SA5高速摄像仪采集，采样频率设定为7 500～10 000帧／s。利用背光系统以增强拍摄气泡的清晰度。

图1 实验装置简图Fig.1 Schematic diagram of experiment apparatus

在气泡等效半径的计算中，引入误差主要有两个原因：1）假设气泡为关于竖直轴对称的椭球体或两个半椭球体计算体积时引入的误差，一般低于5%［12］；2）由于图像的分辨率引入的气泡尺寸测量的相对误差，小于3.5%。

1.2 数据处理

在本研究中，确定气泡中初始阶段不凝性气体含量十分关键。由于存在不凝性气体，气泡中蒸汽分压随着冷凝的进行而下降。蒸汽压力对应的饱和温度也随之下降，直至下降到液体温度，冷凝停止。因此，剩余气泡中会含有少量蒸汽。假设气泡在凝结过程中蒸汽处于饱和状态，不凝性气体和蒸汽为理想气体。根据气泡凝结初始时刻和完全凝结时刻不凝性气体的理想气体状态方程可得：

其中：pg0和pgf为不凝性气体分压；T0为凝结初始时刻不凝性气体温度；Tb为过冷水温度；V0和Vf为气泡体积。根据Dalton分压定律，不凝性气体分压为：

其中：p为气泡内总压；pv为蒸汽分压。根据Dalton分压定律，不凝性气体的初始摩尔份额可表示为：

其中：p0为初始时刻气泡内总压；pv0为初始时刻蒸汽分压。本实验过程中，水温约为15℃，该温度对应的饱和蒸汽压力为1.7 k Pa。由式（1）～（3）及停止凝结后蒸汽的状态参数可得凝结初始时不凝性气体摩尔份额。

由于实验中为正面拍摄，只能得到气泡竖直方向和水平方向尺寸h、b。然而，在重力条件下，气泡通常可近似为关于竖直轴对称的椭球体或两个半椭球体。因此，气泡体积为：

本文用等效半径作为气泡的特征尺寸。按照等体积原则，将相同体积下球体半径定义为等效半径。实验中气泡脱离蒸汽注射管道时的等效半径R0为0.5～1.5 mm。

2 实验结果及分析

2.1 不凝性气体对MEB的影响

图2为不凝性气体对50 K过冷度下MEB的影响［8］。可看出，在含有和不含不凝性气体的水沸腾实验中均发生了MEB现象，且MEB区域的换热性能均远高于饱和沸腾的CHF值。但在含有不凝性气体条件下，会出现气泡破裂受阻以及换热性能减弱的现象。下文将进一步分析不凝性气体对过冷水中蒸汽气泡破碎过程的影响。

图2 不凝性气体对50 K过冷度下MEB的影响Fig.2 Effect of noncondensable gas on MEB at liquid subcooling of 50 K

2.2 可视化实验结果分析

含不凝性气体的蒸汽气泡在过冷水中冷凝时，观察到3种不同的凝结过程，分别是气泡破碎、气泡分裂及气泡的逐渐凝缩。图3为不同凝结过程对应的初始不凝性气体含量。当x0＜2.5%时，主要发生气泡破碎现象；当x0在2.5%～7.5%之间时，发生气泡分裂现象；当x0＞7.5%时，气泡无破碎和分裂现象发生，而是逐渐凝缩。

图3 不同凝结过程对应的初始不凝性气体含量Fig.3 Content of initial noncondensable gas for different condensing processes

典型的蒸汽气泡凝结过程示于图4，其中气泡初始等效半径均为1 mm左右。在较低初始不凝性气体含量（x0＜2.5%）下，蒸汽气泡会突然冷凝，在冷凝过程中气泡界面上会出现剧烈扰动，随后较大气泡突然破碎成大量微小气泡（图4a）。该现象与Ueno等［9－10］所观察到的实验现象相似。然而，在较高初始不凝性气体含量（2.5%＜x0＜7.5%）下（图4b、c），气液界面比较光滑，无气泡突然破碎现象，较大气泡在冷凝一段时间后分裂成数个小气泡。随不凝性气体含量的增加，分裂后的气泡数减少。x0＝3.32%时，分裂成数个小气泡；x0＝4.45%时，只分裂成两个小气泡。当初始不凝性气体含量进一步增加（x0＞7.5%）时，较大气泡甚至不会发生破碎和分裂过程，而是在冷凝变形后恢复成一球形气泡（图4d）。

2.3 不凝性气体对气泡破碎过程的影响

对过冷水中纯蒸汽气泡的冷凝过程，换热温差通常定义为系统压力下的饱和温度与周围液体温度的差值，即：

其中，Ts为系统压力下蒸汽饱和温度。但不凝性气体的存在会改变冷凝换热温差，所以须对其进行修正［13］：

图4 典型的蒸汽气泡凝结过程Fig.4 Condensation process of typical vapor bubble

图5为不凝性气体含量对修正后温差的影响。从图5可看出，冷凝换热温差随着冷凝的进行而逐渐降低，且呈非线性变化趋势。此外，随初始不凝性气体含量的增加，初始冷凝温差减小。

图5 不凝性气体含量对修正后温差的影响Fig.5 Effect of noncondensable gas content on modified temperature difference

由冷凝气泡周围能量守恒过程［13］有：

则气泡冷凝换热系数hc为：

式中：d R／d t为气泡半径变化速率；ρv为蒸汽密度；hfg为汽化潜热。

气泡从脱离注射管道到破裂或发生严重变形时，其等效半径随时间的变化如图6所示。从图6可看出，在不同初始不凝性气体含量下，气泡半径均近似呈线性变化。因此d R／d t近似为：

图6 气泡冷凝过程中等效半径的变化Fig.6 Equivalent bubble radius history in condensation process

式中：t0为气泡脱离时刻；t为气泡破裂或发生严重形变时刻。由于冷凝温差在冷凝过程中呈非线性变化，因此，将其近似为工程上经常使用的对数平均温差：

其中：ΔTmax为气泡脱离时刻的平均温差；ΔTmin为气泡破裂或发生严重形变时刻的平均温差。

将式（11）、（12）代入式（10）得到不同初始不凝性气体含量下气泡冷凝过程的平均冷凝换热系数：

图7为不凝性气体含量对冷凝换热系数的影响。冷凝换热系数随x0的增加而下降。因在含不凝性气体的蒸汽气泡冷凝过程中，气液界面附近的蒸汽被凝结而不凝性气体却积累。积累的不凝性气体阻碍新蒸汽冷凝，进而削弱冷凝换热。不凝性气体含量越多，蒸汽冷凝效果越差。此外，x0＜2.5%时，气泡冷凝换热系数随x0的增加迅速下降；x0＞2.5%时，随x0的增加气泡冷凝换热系数下降趋缓。

图7 不凝性气体含量对冷凝换热系数的影响Fig.7 Effect of noncondensable gas content on condensation heat transfer coefficient

Pan等［14］认为，气泡凝结作用的增强会使由凝结引起的惯性冲击变大，到达一定程度时会导致气泡的破裂。高过冷度下，当不凝性气体含量较低时，气泡凝结作用极强，液体的惯性冲击很大，气泡极易破碎。但当不凝性气体含量较高时，凝结被大幅削弱，液体的惯性冲击减小，气泡比较稳定不会破裂，与可视化研究结果相符。这说明高过冷度下蒸汽中的不凝性气体会阻碍气泡破裂。因此，含有不凝性气体时，MEB发生过程中会出现加热面长时间被蒸汽气膜覆盖的现象［8］，此时，气泡破碎频率会减小。由文献［11］可知，在MEB区域，气泡破碎频率越小，热流密度越低，因此，当含有不凝性气体时，MEB区域的换热能力将被削弱。

3 结论

本文通过向过冷水中注入含不凝性气体的蒸汽，研究了不凝性气体对蒸汽气泡凝结过程的影响。在此基础上分析了不凝性气体影响MEB的原因，得到以下结论。

1）随初始不凝性气体体积份额x0的增加，依次出现以下气泡凝结现象：气泡突然破碎成大量微小气泡（x0＜2.5%）；气泡分裂成数个小气泡（2.5%＜x0＜7.5%）；气泡界面非常稳定，不会发生破碎和分裂现象（x0＞7.5%）。

2）随不凝性气体含量的增加，气泡冷凝换热系数下降，导致由气泡凝结引起的液体惯性冲击减弱，使气泡更加稳定。这可能是造成含不凝性气体的MEB现象中气泡破碎受阻以及换热被减弱的一个原因。

［1］ INADA S，MIYASAKA Y，IZUMI R，et al.A study on boiling curves in subcooled pool boiling（1st Report：An effect of liquid subcooling on local heat transfer）［J］.Transaction of JSME，1981，47（417）：852-861.

［2］ SHOJI M，YOSHIHARA M.Burnout heat flux of water on a thin wire［C］∥Proceedings of 28th National Heat Transfer Symposium of Japan.Japan：［s.n.］，1991：121-123.

［3］ TANGE M，TAKAGI S，WATANABE M，et al.Microbubble emission boiling in a microchannel and minichannel［J］.Thermal Sciences Engineering，2004，12：23-29.

［4］ SUZUKI K，KOKUBU T，NAKANO M，et al.Enhancement of heat transfer in subcooled flow boiling with microbubble emission［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2005，29：827-832.

［5］ SUZUKI K，NOMURA T，HONG C，et al.Subcooled flow boiling with microbubble emission in a microchannel［C］∥Proceedings the MNHMT 2009.Shanghai：［s.n.］，2009.

［6］ SUZUKI K，SUZUKI K，HONG C，et al.Bubble motion in subcooled boiling with microbubble emission［C］∥Interdisciplinary Transport PhenomenaⅦ.Germany：［s.n.］，2011.

［7］ SUZUKI K，YUKI K，KAWAMURA H，et al.Microbubble emission boiling：An effect of pressure on subcooled flow boiling with microbubble emission［C］∥Interdisciplinary Transport PhenomenaⅥ.Italy：［s.n.］，2009.

［8］ TANG J G，ZHU G Y，SUN L C.Microbubble emission boiling in scbcooled pool boiling and the role of Marangoni convection in its formation［J］.Therm Fluid Sci，2013，50：97-106.

［9］ UENO I，HATTORI Y.Microbubble formation in abrupt condensation of vapor bubble exposed to subcooled pool［C］∥Proceedings of the Inter-PACK’09.Shanghai：［s.n.］，2009.

［10］UENO I，HATTORI Y，HOSOYA R.Condensation and collapse of vapor bubbles injected in subcooled pool［J］.Microgravity Science and Technology，2011，23：73-77.

［11］SUZUKI K，YUKI K，HONG C.Subcooled boiling with microbubble emission（on mechanism of MEB generation）［C］∥22nd International Symposium on Transport Phenomena.Netherlands：［s.n.］，2011.

［12］郭容，蔡子琦，高正明.黏性流体中单气泡的运动特性［J］.高校化学工程学报，2009，23（6）：43-51.

GUO Rong，CAI Ziqi，GAO Zhengming.The motion characteristics of a single bubble in stagnant highly viscous liquids［J］.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2009，23（6）：43-51（in Chinese）.

［13］ULLMANN A，LETAN R.Effect of noncondensibles on condensation and evaporation of bubbles［J］.J Heat Transfer，1989，111：1 060-1 067.

［14］PAN L M，TAN Z W，CHEN D Q，et al.Numerical investigation of vapor bubble condensation characteristics of subcooled flow boiling in vertical rectangular channel［J］.Nuclear Engineering and Design，2012，248：126-136.

Study on Condensation Process of Vapor Bubble Containing Noncondensable Gas

TANG Ji-guo1，YAN Chang－qi1，＊，SUN Li-cheng2，HOU Xiao-fan1
（1.Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；
2.College of Hy draulic and Hy dra-electric Engineering，Sichuan University，Chengdu 610207，China）

A visualized investigation was performed to study the condensation and collapse processes of vapor bubbles at high liquid subcooling with a high-speed video camera（Fastcam SA5）.Experiment results show that a vapor bubble will collapse to many microbubbles rapidly when the initial volumetric fraction of noncondensable gas in the bubble，x0，is less than 2.5%.Instead，a large bubble will split into just several tiny bubbles when x0is between 2.5%and 7.5%.Further，x0increases exceeding 7.5%，the bubble surface will be very stable，and no collapse or fragmentation occurs.The noncondensable gas in a vapor bubble reduces the condensation at the bubble surface，which weakens the inertial shock of the liquid on the surface and makes the bubble more stable.This may elucidate that the presence of noncondensable gas willinhibit the bubble collapse in microbubble emission boiling and deteriorate the heat transfer performance consequently.

noncondensable gas；bubble condensation；bubble collapse；microbubble emission boiling

TK124

：A

1000-6931（2015）09-1593-06

10.7538／yzk.2015.49.09.1593

2014-05-01；

2014-06-16

国家自然科学基金资助项目（51376052，11175050）

唐继国（1988—），男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，核科学与技术专业

＊通信作者：阎昌琪，E-mail：changqi＿yan＠163.com