竖直矩形窄通道内流动沸腾研究进展*

金 程 陶乐仁 黄理浩 赵谢飞 居一伟

(1.上海理工大学,上海;2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海)

0 引言

矩形窄通道是一种狭长的矩形通道,其流道长度、宽度与窄缝间隙之比较大;该结构具有比表面积大、相应设备结构紧凑的特点,且通道内两相沸腾换热具有较高的换热效率,所以在动力、化工、核能、微电子等领域得到了广泛的应用[1-2]。由于不同的几何形状对通道内产生气泡形状的限制,因此矩形窄通道中的两相流动和传热特性与常规通道有很大不同[3]。矩形窄通道能够消除或减轻两相流的不稳定性,抗活塞能力强于一般圆管,其流动沸腾传热系数能比一般的光管提高60%～90%[4]。近年来,国内外研究者们对以蒸汽-水为工质在竖直矩形窄通道内的流动沸腾及其传热机理等进行了一系列的实验和理论研究,研究涉及竖直矩形窄通道在不同背景及工况参数下的应用,本文对这些研究情况进行介绍及评述。

1 传热实验研究

矩形窄通道内流体沸腾及换热的影响因素有很多,如通道尺寸、材料表面粗糙度、工质物性参数及系统工况参数等。通过改变实验段尺寸与相关工况参数以模拟实际应用场景,寻找各参数对窄通道内流体流动与传热的影响规律。

在实验研究中改变加热热流密度、通道进口温度(过冷度)、质量流速等参数,对换热系数、温度场等进行分析。单面电加热是矩形窄通道研究实验中最常见的加热方式,便于模拟均匀的热流密度。郑志皋等人研究了蒸汽干度、热流密度及入口过冷度对矩形窄通道换热的影响[5-6]。黄理浩等人在低压条件下,改变入口过冷度、质量流速及加热功率进行实验,结果表明这些参数对饱和沸腾起始点和过冷段长度有重要影响[7],并分析了热流密度增大后转变为不同流型时的主导换热机理[8]。刘效德等人改变加热热流密度与工质流动参数,分析了在对流沸腾与核沸腾阶段,质量流速、入口温度与干度对换热系数的影响规律[9]。严天宇等人通过实验分析了质量流速、热流密度、进口温度对换热系数的影响,获得了通道内工质由单向流到过冷沸腾时的传热过程曲线[10]。

采用蒸汽加热(热流密度不恒定)或多面加热的方式可以模拟更为真实的加热环境。刘萌芳等人建立了单侧蒸汽加热竖直矩形窄通道可视化实验系统,研究了板式换热器内(蒸发-冷凝器)两相换热机理及流型特征[11]。张杰等人针对反应堆工况与技术参数搭建了热工水力两相流实验回路,用来研究分析矩形窄冷却剂通道的稳定传热特性,该实验装置将流动方向设置为竖直向下并采用双面加热,更好地模拟了某燃料组件的冷却剂通道[12]。郭新田在实验中使用三面加热,模拟了工程上水冷散热器经常出现的三面加热组合型封闭截面加热通道,对矩形窄通道的沸腾传热特性进行了研究[13]。

与上述研究只针对固定尺寸通道不同,赵楠等人在不同窄缝宽度(3、4 mm)下进行了实验研究,结果表明窄缝宽度对通道内流动换热特性影响明显,较小窄缝宽度通道内过冷沸腾段的传热系数更大,沸腾起始点对应的热通量更小,进出口压降的波动更小[14]。

通过实验模拟实际应用环境,并改变几何与工况参数可以得到实验段窄缝宽度、进口温度、质量流速和热流密度等参数对传热的影响规律,但是没有从机理上进行解释,这需要进一步的研究。

2 气泡及流型研究

2.1 气泡的成核与移动

气泡的成核与动力演变规律是气泡动力学的重要组成部分之一,从微观角度分析,这也是核态沸腾换热的基础。随着气泡的成核、成长与脱离,通道内会出现不同的流型,所以对气泡成核与移动的研究是对通道内流型及其转换研究的基础。

通过实验能够研究工况参数对气泡成核的影响。Chen等人在100、300 kPa的系统压力下,对竖直矩形窄通道内的气泡生长进行了可视化实验研究,结果表明质量流量、热流密度、系统压力及成核点密度对气泡的生长和尺寸有显著影响[15]。郭昂等人对常压下竖直窄缝通道过冷流动沸腾进行了实验研究,通过可视化实验发现汽化核心密度只与壁面过热度有关,气泡脱离直径与壁面过热度、流体过冷度及质量流量有关[16]。

借助高速摄影仪,矩形窄通道内气泡的成核、成长和脱离能被准确地记录。徐建军等人采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内气泡核化生长和脱离规律[17]、滑移气泡的运动特征[18]和滑移气泡间的聚合特性[19]。张利琴等人使用粒子图像测速仪测量了流场的速度分布,对单个空气泡与蒸汽泡在矩形窄缝通道内上升的尾流特性进行了研究[20-21]。Ren等人对矩形窄通道内过冷沸腾时滑动气泡聚集进行了观察,结果表明,气泡聚集过程由4步组成:接近、合并、调整和稳定,其中最重要的过程是气泡的合并和调整[22]。Zhang等人通过可视化流动沸腾实验,研究了矩形窄通道内气泡聚结现象及气泡滑动对聚结的影响,详细分析了气泡的聚并现象、聚并后气泡的速度和界面演化特征[23]。

此外,还能够利用计算机图像识别处理技术对气泡进行处理。宋明亮等人将图像自动识别方法运用于矩形窄缝通道内常温常压静态流体中的气泡运动特性可视化实验中,通过实验数据定量分析了气泡运动速度与气泡当量直径间的关系,并对现有关于气泡运动速度的预测关系式进行了定量评价[24]。Fu等人提出了一种用于矩形窄通道内测量气泡流含气率的鲁棒图像处理算法,该算法结合高速摄像机记录的几何、光学和拓扑信息,对重叠气泡进行分离和重构,结果表明,该算法能准确测量含气率高达18%的大气泡泡状流[25]。

2.2 流型及其转换

图1 不同参数坐标的流型区域图[26-27]

这样的流型划分方式被应用于后续的研究中,如表1所示。其中以气相和液相表观速度为坐标的流型区域图最为常用,但是也有其局限性,表观速度无法反映表面张力、水力直径等对流型的影响。

表1 研究中观测到的流型及绘制的流型图

流型的转换会影响窄通道的热工水力特性,所以在识别流型的基础上,对流型转换的判别尤为重要。Hibiki等人[32]在Mishima等人[33]给出的竖直圆管内空气-水的流型转变规则基础上,引入了矩形窄通道的几何参数影响,从而发展得到了矩形窄通道内两相流适用的流型转换准则。但现有的研究大多是在绝热条件下以空气-水作为工质[34-36],在加热条件下以蒸汽-水作为工质的研究比较少。以空气-水作为工质的研究未考虑传热的影响,由于流动沸腾和绝热两相流动在传热传质上的差别,其流型转换判别准则与适用范围也有所不同。

3 传热机理研究

3.1 传热预测模型研究

矩形窄通道的换热预测关联式一般都是由常规通道及微通道的换热预测关联式发展而来的。由研究可知,竖直矩形窄通道内的流动沸腾换热机理主要有核态沸腾、流动液膜蒸发和两者共同作用这3种机理。研究中的传热预测关联式大多为传热叠加模型[37-39]与量纲一预测模型[40-44]两类。传热叠加模型的主要形式为

htp=Ehsp+Shnb

(1)

式中htp为两相沸腾换热系数,W/(m2·K);E为对流换热增强因子;hsp为对流换热系数,W/(m2·K);S为核态沸腾抑制因子;hnb为核态沸腾换热系数,W/(m2·K)。

量纲一预测模型侧重于核态沸腾对换热系数影响的修正,利用特征数的组合对换热系数进行预测,常用的特征数有沸腾数(Bo)、雷诺数(Re)、韦伯数(We)等。这些修正模型都有其适用的工况范围,往往能准确预测自身工况条件,但是对于其他工况的预测效果都不同程度地存在一些问题。

3.2 对ONB、OSV与OFI的研究

核态沸腾起始点(onset of nucleate boiling,ONB)、有效空泡起始点(onset of significant void,OSV)及流动不稳定起始点(onset of flow instability,OFI)是研究矩形窄通道内传热机理的重要特征参数。单面加热矩形窄通道内单相流向两相流的过渡过程如图2所示。

注:Tsat、Twall、Tliq分别为饱和温度、壁面温度和流体温度。图2 单面加热矩形窄通道内单相流向两相流的过渡过程[45]

ONB是过冷流动沸腾中气泡形成的初始位置,是单相流和两相流之间的临界点。郑志皋等人发现热流密度、质量流量及入口温度是影响沸腾起始点的主要因素;以饱和沸腾起始点为界限,通道内的换热特性截然不同[46]。黄理浩等人通过实验发现入口温度在高加热功率密度时对饱和沸腾起始点的影响相对较小,在低加热功率密度下影响较大[47]。Kim等人研究了在横向非均匀和均匀加热条件下矩形窄通道内的核态沸腾起始点,但在2种加热条件下,ONB处的局部热流密度和壁温是相似的[48]。程宁等人的研究表明在不同窄缝宽度(1.8、2.8 mm)的矩形窄通道中,进口温度和质量流速对ONB的气泡成长及壁面过热度的影响一致,而流道高度对其没有明显影响[49]。

OSV是气泡开始挣脱壁面的位置;OFI是随着含气率的进一步增加传质和传热条件变得不稳定的位置[50]。Ghione等人用166组实验数据对竖直矩形窄通道中流动不稳定起始点的预测关联式进行了评估并取得了很好的效果[51]。Lee等人研究了在两侧加热的矩形窄通道内两相流动的不稳定性,特别是向下流动的不稳定性,通过实验确定了稳定流动持续的最小质量流量条件[52]。Zhang等人的研究表明,降低入口温度、降低加热功率或提高压力能降低双面加热矩形窄通道系统的不稳定性[53]。

将ONB、OSV与OFI一起进行系统研究更有利于揭示窄通道内不同区域的换热机理。Wang等人在宽度为40 mm、间隙为3 mm的单侧加热矩形窄通道中,对ONB、OSV、OFI和两相流流型进行了可视化和测量[54]。Al-Yahia等人采用恒质量流量法和恒热流法2种实验方法来实现和识别ONB、OSV和OFI[45]。李祥东等人根据传热机理的不同将低温液体过冷流动沸腾通道划分为3个区,建立了各区内沸腾传热的机理模型及各区边界的判断标准,并将新建立的理论模型纳入双流体模型,实现了数值求解,根据数值计算结果可以很方便地判断ONB及OSV的位置[55]。Rabhi等人基于计算流体力学(CFD)模拟,提出了一种新的考虑对流沸腾起始点的模型,预测的标准差为2.7%[56]。上述研究中建立的模型有助于从机理上实现ONB、OSV和OFI的准确预测。

3.3 对CHF的研究

竖直矩形窄通道内气泡的聚集容易形成蒸汽芯,此时流型主要为环状流。环状流的液膜厚度会随着液膜蒸发、液滴沉积及夹带的综合作用而减小。当液膜厚度减小到一定值时,由于传热系数的减小,表面温度会突然升高,进而发生沸腾危机。临界热流密度(critical heat flux,CHF)就是在沸腾传热机理正好发生变化而使传热系数急剧下降,即传热突然恶化状态下的热流密度[57-59]。CHF是有效利用核沸腾进行热量传递的上限,是设备安全运行的关键设计限值,所以预测CHF对预防换热通道内的传热恶化十分重要。研究者们根据实验数据,建立模型并提出了不同的CHF预测关联式[60-65]。

Oh等人修正了竖直圆管CHF预测关联式中的空隙分布参数,得到了新的竖直矩形窄通道的CHF预测关联式,并针对向上、向下流向的不同实验数据,使用最小二乘法拟合得到了不同的预测关联式[60]。Kureta等人在矩形窄通道和小直径管道的CHF预测关联式中考虑了临界干度、量纲一CHF参数和加热周长比[61]。Wright等人充分考虑了流体与加热面的共轭传热效应,通过对预测关联式的三次更新迭代很大程度上提高了预测准确性[62]。Kim等人在预测关联式中引入了矩形窄通道中窄缝宽度、质量流量和过冷度,并根据质量流量的高中低给出了相对应的预测关联式[63]。Song等人研究了竖直方向上的蒸汽聚集生长,建立了矩形窄通道中水过冷流动沸腾条件下CHF的预测模型[64]。Yan等人基于气泡动力学,结合通道几何形状和热力参数提出了CHF的预测关联式[65]。上述文献中的预测关联式侧重点各有不同,预测精度也各不相同。目前还没有一个使用范围广泛的临界热流密度预测模型,需要利用更多不同工况下、不同尺寸通道内的实验数据,研究各参数对临界热流密度的影响。

4 结束语

本文分别从传热实验研究、气泡及流型研究和传热机理研究3个方面综述了竖直矩形窄通道内流动沸腾的实验与理论研究现状。从上述研究中可以得到以下结论:

1) 现有实验研究大多只能得到工况参数和窄通道几何参数对传热的影响,矩形窄通道内流动沸腾的换热机理并没有形成统一的认识,需要深入分析各项参数(流量、热流密度、干度等)以明确核态沸腾与流动液膜蒸发这2种机理在不同通道区域的相互作用及主导地位。

2) 窄通道内气泡易受挤压而聚集为弹状流,在高热流密度下会继而发展为环状流甚至干涸。随着窄缝宽度的减小,表面张力对流型的影响越发显著;现有的流型转换准则大都是基于绝热条件下以空气-水为工质的,没有考虑流动沸腾传热传质与绝热2种流动的差别。需要进一步研究不同加热条件下竖直矩形窄通道内以蒸汽-水为工质的流型和流型转变准则。

3) 目前为止,矩形窄通道内流动沸腾的换热机理并没有形成统一的认识。需要在明确矩形窄通道不同区域内流动沸腾机理的基础上,进一步收集更多的实验数据,研究不同参数对换热系数、ONB、OSV、OFI及CHF的影响,实现广泛而准确的预测。