摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径实验研究

谢添舟，陈炳德，闫 晓，徐建军，黄彦平，肖泽军

(中国核动力研究设计院 中核核反应堆热工水力技术重点实验室，四川 成都 610041)

由于矩形窄缝通道具有强化换热特性[1]，近年来在工程技术中得到了广泛应用。在沸腾传热机理模型中，汽泡脱离直径及预测模型作为非常重要的参数，得到越来越多学者的关注[2-3]。当矩形窄缝通道整体运行于海洋条件时，会存在典型摇摆运动，此时，由于非匀速运动产生的附加外力场的影响，通道内的沸腾传热特性会发生显著改变[4]，但摇摆运动下传热特性机理研究鲜有报道。因此，开展摇摆运动条件下汽泡脱离直径的研究，对揭示摇摆条件下沸腾传热机理有重要作用。

目前国内外已有不少关于过冷沸腾汽泡脱离直径的研究，但大部分都是在静止条件下开展的，对摇摆运动影响的研究主要集中在压降[5]、传热系数[6]、流型[7]等方面，针对汽泡脱离直径的研究较少。本工作采用可视化方法，对摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离行为进行拍摄，探明摇摆运动对汽泡脱离直径的影响，为摇摆条件下汽泡脱离直径预测模型构建等提供数据支撑。

1 实验装置和数据处理

1.1 实验装置

实验回路系统如图1所示，主要由往复泵、预热器、实验段、换热器、相关阀门及测量仪表组成。辅助系统包括二次侧冷却水系统、实验段直流电加热系统、预热器交流电加热系统及工质补给系统。实验段及部分装置安放在六自由度运动台上，运动台以某一摇摆振幅和频率摆动，摇摆运动按近似正弦规律变化，即：

θ(t)=θmsin(2πft)

(1)

(2)

(3)

式中：θ(t)为瞬时摇摆角位移；θm为最大摇摆角；ω为角速度；ε为角加速度；f为摇摆频率；t为时间。

1.2 实验本体

实验本体为2.0 mm×40 mm×700 mm的可视化矩形窄缝通道。有效加热段长度为530 mm，实验段主要由承压块、石英玻璃、压紧块和密封结构等组成，如图2所示。实验段一侧由石英玻璃和压紧块组成，在压紧块上开可视化窗口，另一侧由电加热组件和承压块等组成。矩形窄缝通道在石英玻璃中加工而成。

图2 实验本体截面图

1.3 摇摆条件下可视化系统

实验采用Phantom V9.0彩色高速摄像仪可视化观察，镜头倍率1∶1.4，拍摄帧数2 000帧，有效像素576×576。拍摄过程中，采用先整体后局部的方法来拍摄，即先将微距镜头倍率调大，在较大范围内观察加热面上是否出现汽泡核化现象，出现汽泡核化现象后确定核化点位置，再将微距倍率调整到合适的数值，使汽泡清晰且较大，以便于测量。

摇摆条件下，为解决高速摄像仪与六自由度运动台的相对固定、高速摄像仪与实验本体相对位置的精确调节，设计了1套高速摄像仪的固定装置，如图3所示。该装置主要由固定支架、导轨系统、高速摄像仪固定系统组成。其中，固定支架通过8个螺栓与六自由度运动台紧密固定，导轨可在二维方向上(实验本体的前部方向和高度方向)移动，以实现高速摄像仪宽范围、多方位移动。同时，导轨移动到指定位置后可锁住。该装置在摇摆运动条件下具有良好的稳定性。

图3 摇摆条件下的可视化系统

1.4 实验方法和工况

实验时调节实验本体下游的调节阀，使系统压力在0.15 MPa左右，此时所有摇摆工况下的流量波动均在±1%以内。然后将质量流速调至预定工况，通过调节预热器功率达到一定入口温度，再改变本体热流密度以得到稳定的核化点。待热工工况稳定后，启动六自由度运动台至预定摇摆工况，稳定后对核化点进行连续拍摄，重复上述过程以研究不同质量流速下摇摆运动对汽泡脱离直径的影响。

由于质量流速会显著影响汽泡脱离直径[2]，因此本工作中仅研究不同质量流速下摇摆运动的影响。热工工况列于表1。其中，p为系统压力，Δtsub为入口过冷度，G为工质质量流速，zd为加热段起始点与核化点之间的距离。热工参数稳定后，相应的摇摆运动参数列于表2。

表1 热工工况

1.5 数据处理

如何通过汽泡图像数据获得定量的汽泡尺寸，是可视化实验研究中所面临的难题之一。本工作的处理方法如下。

在高速摄像仪拍摄完1个工况后，保持高速摄像仪镜头的放大倍率不变，然后拍摄标尺，得到标尺的清晰图像，如图4所示。

表2 摇摆运动参数

图4 汽泡(a)和标尺图像(b)

将图4b中的标尺图像读入Phantom Camera Control软件，利用软件中的测量功能，将拍摄图片的有效像素与真实物理尺寸相对应，再将拍摄得到的真实汽泡(图4a)导入后处理软件，即可得到汽泡在x和y轴方向的直径Dx和Dy。假定汽泡的两个短轴轴长相等，则可按照等效体积法计算出汽泡的等效直径D[8]为：

(4)

2 实验结果及分析

图5示出摇摆条件下典型汽泡生长及脱离的图像。从图5可看到汽泡从生长到脱离的整个过程，标记着“脱离”的图片为汽泡即将脱离核化点的时刻，该时刻的汽泡直径为汽泡脱离直径。通过图像后处理可获得汽泡在各时刻的直径，进而得到汽泡生长曲线。在本实验参数范围内，汽泡脱离后均沿着壁面滑移，没有立刻浮升脱离壁面的汽泡。汽泡脱离的判定方法为：以初始汽泡中心为原点，当汽泡中心开始不断远离原点时，汽泡中心刚开始脱离原点的一帧为汽泡脱离时刻。依据上述准则，本次实验共获取有效数据点54个。

p=0.15 MPa，Δtsub=40 ℃，G=300 kg/(m2·s)，热流密度q=85 kW/m2，摇摆工况为R3

2.1 摇摆运动对汽泡生长的影响

图6示出不同流量时摇摆运动对同一周期内汽泡生长和脱离的影响。从图6可看出，在汽泡生长至脱离整个过程中，随着时间的增长，气泡直径逐渐增大，且在初始阶段，汽泡生长速率较快，但由于摇摆运动引起的局部流场波动，汽泡生长过程会变得不稳定，这种情况在G=300 kg/(m2·s)时更为明显，如图6a所示。对比图6a和b可发现：G=300 kg/(m2·s)时，汽泡生长时间为1 000～2 500 ms，汽泡脱离直径在0.14 mm左右；G=700 kg/(m2·s)时，汽泡生长时间为150～350 ms，汽泡脱离直径在0.07 mm左右。这表明随着质量流速的增大，汽泡生长时间变短，汽泡脱离直径变小，与文献[2-3]中静止时观测到的结果一致。从图6a可看出，G=300 kg/(m2·s)时，汽泡在同一个运动周期不同时刻脱离，汽泡脱离直径会发生明显改变，但与脱离时刻角位移无明显一一对应关系。而如图6b所示，G=700 kg/(m2·s)时，汽泡脱离直径改变量要小得多。总地来说，质量流速越小，摇摆运动对汽泡生长速率和脱离直径的影响越大。

a——G=300 kg/(m2·s)；b——G=700 kg/(m2·s)

2.2 摇摆运动对汽泡脱离直径的影响

为进一步研究摇摆角位移对汽泡脱离直径的影响，给出不同质量流速下所有数据点中汽泡脱离直径与其脱离时刻对应角位移的关系，结果示于图7。如图7所示：当G=300 kg/(m2·s)时，汽泡脱离直径平均值为0.144 mm，95%的数据在±20%范围以内；G=700 kg/(m2·s)时，汽泡脱离直径平均值为0.071 mm，95%的数据在±10%范围以内。这表明摇摆运动时汽泡脱离直径会在一定范围内波动，且低质量流速时这种波动尤为强烈。这可能是由于低质量流速时汽泡脱离直径较大，因此摇摆运动产生的周期性的附加力幅值更大，同时局部流场波动的影响也更为剧烈，这两方面的耦合作用使汽泡脱离直径波动变大。通过对数据分段线性拟合可发现，当摇摆角度趋于0°时，汽泡脱离直径有最小的趋势，但质量流速越大，这种趋势越不明显。这可能是由于摇摆角度趋于0°时，流动方向上的浮力分量最大，汽泡更易脱离，但质量流速较大时，汽泡平均直径变小，浮力所占比重也相应变小，因此浮力变化对汽泡脱离直径的影响会减弱。

a——G=300 kg/(m2·s)；b——G=700 kg/(m2·s)

3 结论

本工作借助高速摄像技术，通过在六自由度运动台上开展的过冷沸腾可视化实验，研究了摇摆运动对汽泡脱离直径的影响。研究发现，由于摇摆运动引起的局部流场波动，汽泡生长过程变得不稳定，且汽泡脱离直径在一定范围内波动，这种效应会随质量流速的增大而减弱。线性拟合发现，摇摆角位移为0°时汽泡脱离直径有最小的趋势。

参考文献：

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