气泡微细化沸腾的沸腾现象与沸腾音特性

朱光昱 孙立成 唐继国

（哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室 哈尔滨 150001）

气泡微细化沸腾的沸腾现象与沸腾音特性

朱光昱 孙立成 唐继国

（哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室 哈尔滨 150001）

发生在过渡沸腾区的微细化沸腾(MEB)以其极高的换热能力日益受到学者们的关注。本文通过傅里叶变换得到了MEB沸腾音的幅度谱，结合MEB实验中获得的壁温和相应的视频数据，对幅度谱进行了分析。结果表明：通过幅度谱上的特征，可以判别加热面上的沸腾模式。在核态沸腾阶段，沸腾现象较微弱，幅度谱波动不明显。在MEB发展阶段，加热面上存在两类沸腾现象，幅度谱以多峰谱为主要特征。当MEB现象显著发生时，幅度谱300–400 Hz范围内会出现一个MEB特征谱峰。该谱峰的形成与气膜生成和破裂周期存在一定关系，过冷度对气膜变化的周期并没有影响。

气泡微细化沸腾(Micro-bubble emission boiling, MEB)，傅里叶变换，幅度谱，气膜

气泡微细化沸腾(Micro-bubble emission boiling, MEB)是一种特殊的过冷沸腾现象。当MEB发生时，加热面上一旦形成聚合气泡，就会迅速破碎成大量微米级的气泡，同时伴随着非常独特的沸腾音，其热负荷可达一般核态沸腾临界热负荷(CHF)的几倍到几十倍之多。Suzuki等[1]和Inada等[2]的MEB实验的最高热流密度均达到约10 MW·m-2。目前很多新技术的发展都受到了散热极限的限制。例如，核能方面，国际热核聚变实验堆(ITER)滤偏器承受的最大热负载已经达到30 MW·m-2；当等离子体破灭时，托卡马克第一壁上的局部功率甚至达到500kW·m-2，因此可能引起壁面材料的熔化，这是聚变堆设计中急需解决的问题之一。这些高热负荷区域都需要采用非常高效的冷却方式，而气泡微细化沸腾在这方面具有极大的应用前景和技术优势。

近几年，为研究MEB的发生机理，部分学者[3-4]对MEB的沸腾音特性进行研究。Tange等[3]采用直径300 μm、长30 mm的铂丝作为加热部元件，进行了过冷池沸腾实验，采集了0–40 K过冷度范围内的沸腾音。他们的分析结果表明，在核态沸腾阶段，沸腾音幅度谱以双峰谱为主要特征。当过冷度上升到20 K，MEB现象显著发生，第一谱峰的幅值降低，第二谱峰的幅值则明显升高，并且由700 Hz附近移动到1 000 Hz附近。更重要的是，在沸腾音幅度谱2 700 Hz附近又会出现一个新的MEB特征谱峰。当过冷度达到40 K时，第二谱峰消失，而MEB特征谱峰的幅值大幅升高。Kubo等[4]以一块水平平板为加热面，采集并分析了20–80 K过冷度及流速0.5–1.0 m·s-1内流动沸腾的沸腾音，实验结果表明，当MEB发生时，频率在100–1 000 Hz的声压会显著上升。

在结合可视化图像资料的基础上，对两种过冷度下的沸腾音时间序列进行幅度谱分析，研究了MEB沸腾现象与沸腾音的相互联系。

1 实验装置

如图1所示，MEB实验装置主要包括加热元件、水箱、功率控制和数据采集系统。圆锥形的加热元件由绝缘弹性底座吊装在水箱下部，由4个可独立进行功率调节的硅碳棒加热。加热元件上部是直径和高均为10 mm的导热柱体，周围被陶瓷环绕以减少散热。导热柱体中轴上装有3个直径1 mm的T分度铜康铜铠装热电偶，距离加热面分别为3mm、5.75 mm和8 mm，并依次间隔30°，以减少热电偶对铜芯导热的影响。水箱由不锈钢制成，其长宽高分别为200 mm、200 mm和300 mm，其中三个壁面装有视窗，满足可视化要求。视窗外布置有高速摄影仪(Photron Fastcam SA5)，可以在500–10000 帧·s-1范围内较清晰地拍摄气泡行为。水听器(RHS-20)置于加热面正上方100 mm处，采样率为51 200 Hz。水温由加热面上方5 mm处的热电偶测量。水箱内装有一个电加热器和一个冷却器，共同维持水温，控制过冷度。实验压力为常压。所有温度及沸腾音数据均由NI系统采集。

图1 过冷池沸腾实验装置Fig.1 Experimental setup for subcooled pool boiling.

2 实验结果和分析

过冷沸腾音的频率集中在人耳听觉范围内，而实测的音频信号时间序列中往往包含大量低频噪声信号。采用Butterworth高通数字滤波方法去除沸腾音中10 Hz以下的低频噪声信号，并将新得到的时间序列作为分析对象，进行非线性FFT (Fast Fourier Transform)变换处理。

实验中观察到，随着热流密度增加，加热面上沸腾过程依次经历核态沸腾、MEB发展阶段以及稳定的MEB沸腾阶段。图2为50 K过冷度下核态沸腾阶段的幅度谱(a)和MEB刚发生时的沸腾音幅度谱(b)。从图2可以看出，幅度谱的波动很小，这是因为加热面上持续地产生的蒸汽泡，在脱离后会在过冷液体中逐渐冷凝，这种过程连续而平稳，因而其沸腾音的幅度谱波动较小。与核态沸腾相比，其幅度谱的波动变得十分剧烈，并且出现多个谱峰。

图2 50 K过冷度下热流密度为1.4 MW·m-2 (a)和4.6 MW·m-2 (b)时的幅度谱Fig.2 Amplitude spectra of boiling sound at liquid subcooling of 50 K with q=1.4 MW·m-2 (a) and 4.6 MW·m-2 (b).

在两种过冷度条件下，MEB发生时，300–400 Hz内形成一个幅度谱主峰，从图3中可以看出这一特征，而其它谱峰的幅值则很低，表明沸腾向单一模式过渡。这在视频数据中亦可得到确认。

图3 50 K过冷度下热流密度为4.8 MW·m-2时(a)和35 K过冷度下热流密度为4.5 MW·m-2时(b)的幅度谱Fig.3 Amplitude spectrum of boiling sound at liquid subcooling of 50 K with q=4.8 MW·m-2 (a) and 35 K with q=4.5 MW·m-2 (b).

在MEB发展阶段，存在两类沸腾现象。第一类如图4(a)和5(a)所示，加热面上生成一层不稳定的气膜，气膜周期性地膨胀收缩，同时伴有微米级的小气泡发射，频率为300–400 Hz。可以推断这一类沸腾现象是产生幅度谱上MEB特征主峰的原因。另一类沸腾现象如图4(b)和5(b)所示，气膜在完成膨胀过程后，会在相对较长的一段时间内维持其形态几乎不变，随后发生破碎或逐渐冷凝。随着热流密度的升高，后者会逐渐消失，前者则始终存在。

图4 50 K过冷度下热流密度为4.6 MW·m-2时MEB第一类(a)和第二类(b)沸腾现象Fig.4 First type (a) and second type (b) boiling phenomenon of MEB at liquid subcooling of 50 K with q=4.6 MW·m-2.

图6为稳定的MEB沸腾阶段的沸腾现象。在高热流密度下，气膜通常会向加热面的边缘方向产生更剧烈的膨胀，膨胀的部分破裂后产生巨大冲击，甚至会导致加热面直接与过冷液体接触。图7为 50K和35 K过冷度下MEB稳定阶段的幅度谱，MEB特征主峰的频率并没有变化，只是幅值有所增加，说明在MEB稳定阶段气膜膨胀-收缩频率并没有明显改变，只是变化更加剧烈。

图6 50 K过冷度下热流密度为5.7 MW·m-2时(a)和40 K过冷度下热流密度为6.3 MW·m-2时(b)的MEB沸腾现象Fig.6 Boiling phenomenon of MEB at liquid subcooling of 50 K with q=5.7 MW·m-2 (a) and 40 K with q=6.3 MW·m-2 (b).

图7 50 K过冷度下热流密度为5.7 MW·m-2时(a)和35 K过冷度下热流密度为6.3 MW·m-2时(b)的幅度谱Fig.7 Amplitude spectrum of boiling sound at liquid subcooling of 50 K with q=5.7 MW·m-2 (a) and 35 K with q=6.3 MW·m-2 (b).

3 结语

研究了10 mm直径加热面上的过冷沸腾时行为特征和沸腾音特征。结果表明，不同的沸腾模式对沸腾音的幅度谱存在明显影响。在MEB发展阶段和稳定阶段，幅度谱在300–400 Hz范围会出现一个MEB特征谱峰，加热面上气膜生成和破裂频率是产生该谱峰的原因。随着热流密度增加，加热面上的气膜破裂过程变得更加剧烈，特征谱峰的幅值也逐渐升高。

1 Suzuki K, Inagaki F, Hong C. Subcooled boiling in the ultrasonic field: on the cause of microbubble emission boiling[J]. Heat Transfer Engineering, 2011, 32(7–8): 673–682

2 Inada S, Miyasaka Y, Izumi R, et al. Study on subcooled pool boiling: the 1streport, effect of liquid subcooling on local heat transfer characteristics[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 1981, 47(417): 952–960

3 Tange M, Takagi S, Watanabe M, et al. Microbubble emission boiling in a microchannel and minichannel[J]. Thermal Science Engineer, 2004, 12: 23–29

4 Kubo R, Shimada R, Kumagai S. Relationship between sound and heat transfer on microbubble emission boiling[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 1993, 59(557): 183–190

CLCTL334

Characteristics of phenomenon and sound in microbubble emission boiling

ZHU Guangyu SUN Licheng TANG Jiguo
(Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Background: Nowadays, the efficient heat transfer technology is required in nuclear energy. Therefore, micro-bubble emission boiling (MEB) is getting more attentions from many researchers due to its extremely high heat-transfer dissipation capability. Purpose: An experimental setup was built up to study the correspondences between the characteristics on the amplitude spectrum of boiling sound in different boiling modes. Methods: The heat element was a copper block heated by four Si-C heaters. The upper of the copper block was a cylinder with the diameter of 10 mm and height of 10 mm. Temperature data were measured by three T-type sheathed thermocouples fitted on the upper of the copper block and recorded by NI acquisition system. The temperature of the heating surface was estimated by extrapolating the temperature distribution. Boiling sound data were acquired by hydrophone and processed by Fourier transform. Bubble behaviors were captured by high-speed video camera with light system. Results: In nucleate boiling region, the boiling was not intensive and as a result, the spectra didn’t present any peak. While the MEB fully developed on the heating surface, an obvious peak came into being around the frequency of 300 Hz. This could be explained by analyzing the video data. The periodic expansion and collapse into many extremely small bubbles of the vapor film lead to MEB presenting an obvious characteristic peak in its amplitude spectrum. Conclusion: The boiling mode can be distinguished by its amplitude spectrum. When the MEB fully developed, it presented a characteristic peak in its amplitude spectrum around the frequency between 300–400 Hz. This proved that boiling sound of MEB has a close relation with the behavior of vapor film.

Micro-bubble emission boiling, Fourier transform, Amplitudes spectrum, Vapor film

TL334

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.020203

国家自然科学基金(51376052)、中央高校基本科研业务费(HEUCFZ1122)、教育部回国基金资助

朱光昱，男，1989年出生，2012年毕业于哈尔滨工程大学，现为在读硕士研究生

孙立成，E-mail: leechengsun@sohu.com

2013-08-19，

2013-09-23