单气泡破裂产生膜液滴空间分布实验研究

马 超，薄涵亮

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041；2.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)

单气泡破裂产生膜液滴空间分布实验研究

马 超1，薄涵亮2

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041；2.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)

本文研究了常温、常压条件下自由液面单气泡破裂产生的膜液滴现象。利用染色液滴撞击熟宣纸表面不洇散特性，加工宣纸纸筒进行稀释墨水中气泡破裂产生膜液滴空间分布实验，并通过后续图片扫描及编写Matlab图像处理程序获得膜液滴在圆柱纸筒上的尺寸分布、空间分布信息。通过改变实验条件，讨论分析气泡尺寸及纸筒半径对膜液滴空间分布结果的影响，获得了常温、常压条件下自由液面单气泡破裂产生膜液滴空间分布规律。

蒸汽发生器；汽水分离；单气泡破裂；膜液滴；空间分布实验

在压水堆蒸汽发生器二次侧，由于气泡破裂或机械打碎等原因产生大量细小的液滴，这些液滴被夹带在蒸汽发生器二次侧产生的饱和蒸汽中，如果这些小液滴进入反应堆二回路系统会造成极大的破坏，因此在蒸汽发生器上部设有汽水分离装置，汽水分离装置的作用至关重要。确定液滴来源信息是研究汽水分离机理工作的基础。蒸汽发生器内液滴按照其产生机理主要可划分为两种：气泡破裂产生的液滴及机械打碎产生的液滴。机械打碎包括气流撕破液膜产生卷吸液滴、原液滴聚并或断裂产生新液滴、液滴撞击壁面或液膜产生飞溅液滴。气泡破裂产生液滴按照方式不同，又可分为两种液滴：喷射液滴与膜液滴[1]。由于气泡破裂产生液滴是蒸汽发生器内液滴产生的主要方式之一[2]，研究气泡破裂产生液滴的现象及机理，对汽水分离装置研究设计具有重要意义。

由于气泡破裂产生膜液滴现象几何尺度小，时间间隔短，物理机理较为复杂，针对该现象的实验研究始终占据主导地位。对研究汽水分离机理而言，初始速度与位置是膜液滴在流场中运动的重要初始参数。前人实验主要通过建立高速摄像装置研究该物理现象。由于遇到的实际工程问题不同及受限于高速摄像的二维限值，针对气泡破裂产生膜液滴现象的实验研究主要关注膜液滴的产生数量、尺寸，对膜液滴的初始速度、初始位置等信息关注度较低[3-7]。目前虽不能通过直接的方法测量气泡破裂产生膜液滴的初始速度及位置，但可通过间接的方法在靠近气泡附近收集膜液滴产生并飞行较短距离后的空间分布信息。

在MgO涂层法基础上[8-9]，本文利用熟宣纸加工的纸筒测量膜液滴的空间分布。

1 实验简介

气泡破裂产生膜液滴空间分布的实验装置示意图如图1所示。应用气泡发生装置，包括空气泵、针阀、质量流量计、喷嘴等，在水槽底部形成气泡。由前人理论分析可知，膜液滴产生现象主要同气泡露出的液帽部分有关，因此水槽中液面高度设置为仅高于喷嘴5 mm，使得气泡在产生、长大、破裂过程中均不脱离喷嘴，以保证气泡对中性。将实验台架设置为对中支架，夹持制备好的宣纸纸筒。调节针阀，控制稳定的气体流量，产生的气泡在液面处破裂产生膜液滴，纸筒测量记录膜液滴空间分布的信息。实验中测量气泡破裂产生膜液滴在纸筒上的空间分布。纸筒测量结束后，从夹持装置中取下展平，利用扫描仪器将纸面信息扫描成图片，使用Matlab图像处理程序进行进一步分析处理，通过运用边缘检测、连通域分析、特征识别等函数，得到扫描图片中的膜液滴数量、直径、空间位置等信息。

图1 气泡破裂产生膜液滴空间分布的实验装置示意图Fig.1 Schematic of space distribution experiment device of film drops produced by bubble bursting

染色液滴选择稀释的水性墨水，墨与水体积比为5∶100，该比例混合既可保证染色混合流体密度接近于纯水，且纸面着墨视觉效果良好以便后续实验数据扫描处理。通过实验测量，得到该混合染色液体的物性参数为：密度ρ=960 kg/m3，黏性系数η=4.68×10-3Pa·s，表面张力系数σ=54.5 mN/m，染色液滴同宣纸之间静态接触角θ=131°。墨水中炭黑颗粒直径在20～40 nm之间[10]，实验中气泡曲率半径大于20 mm，液膜厚度为10 μm以上，因此认为墨水中微小炭黑颗粒对膜液滴产生方式无影响。

实验中纸筒夹持支架加工精度为9级，对中误差范围为±0.38 mm。该实验方法测量精度主要受后处理过程中图像扫描设备分辨率限制。实验中扫描仪分辨率为400像素/英寸(1英寸=2.54 cm)，图片中像素尺寸为64 μm，根据膜液滴撞击壁面形成最大铺展直径关系式[11]，由图片显示尺寸换算成膜液滴原始尺寸。该实验方法在现有扫描设备精度条件下能够测量的最小膜液滴直径为34 μm。

2 实验结果与分析

根据Toba[12]的气泡浮动与破裂理论和实验结果，浮动气泡液帽为轴对称结构，因此推测破裂点周向方位角位置符合等概率均匀分布。此处应用同一纸筒(纸筒半径Rp=60 mm)收集相同大小气泡(气泡曲率半径R=28.4 mm)多次破裂产生膜液滴的周向角度分布情况，如图2所示。由图2可见，随着气泡数量的增加，纸筒表面周向分布直方图逐渐趋于平均，证明破裂点周向方位角位置等概率分布。

虽然大量气泡破裂情况下周向角度符合轴对称规律，但单个气泡破裂过程中破裂点产生的随机性较大，使得在纸筒上膜液滴周向分布峰值角度均会不同。为便于对比分析单气泡破裂产生膜液滴空间分布统计规律，根据气泡液帽轴对称性，假设实验中气泡破裂点周向方位角固定，对纸筒表面膜液滴的周向角度根据360°周期进行对中处理，将分布曲线峰值(或直方图峰值)调整至150°～180°区间。

虽然气泡液帽部分是单点破裂，但由于破裂点轴向相对位置不固定，每次破裂产生膜液滴的空间分布都是变化的，因此只有通过统计同一尺寸气泡多次破裂结果来考察膜液滴的空间分布规律。实验中变化工况，考察气泡大小及纸筒半径对膜液滴分布的影响。每个工况相应地记录20次气泡重复破裂情况，同一曲率半径(R=22.9 mm)下气泡多次破裂产生膜液滴在不同半径(分别为30、40、50、60 mm)纸筒上的空间分布谱如图3所示。

图2 多气泡破裂产生膜液滴周向分布直方图Fig.2 Angle distribution histogram of film drops produced by multi-bubble bursting

纸筒半径：a——30 mm；b——40 mm；c——50 mm；d——60 mm

将该组实验数据绘制成膜液滴尺寸分布方框图，如图4所示。由图4可见，随着纸筒半径的增大，膜液滴平均直径逐渐变小，尺寸分布范围逐渐缩小，方框图形状上宽下窄，平均值高于中间值，表明纸筒上撞击的小尺寸膜液滴份额较多，大尺寸膜液滴份额较少。将实验数据画成周向角度分布曲线，如图5所示，分区统计间隔为30°。由图5可见，各曲线变化趋势均是中间角度区域高、边缘角度区域低。随着纸筒半径的增大，周向分布曲线峰值增大，曲线趋势由平缓逐渐变得陡峭，表明膜液滴由周向均匀分布逐渐向中间方位角区域集中。将实验数据画成轴向高度分布曲线，如图6所示，分区统计间隔为10 mm。由图6可见，各曲线变化趋势均是纸筒底部区域高、顶部区域低，随着纸筒半径的增大，轴向膜液滴的最大高度逐渐变大，轴向分布曲线峰值降低，曲线趋势由陡峭逐渐变得平缓，表明膜液滴由集中在纸筒底部区域逐渐向纸筒顶部区域扩散。

图4 纸筒半径对膜液滴尺寸分布的影响Fig.4 Effect of paper cylinder radius on size distribution of film drops

图5 纸筒半径对膜液滴周向角度分布的影响Fig.5 Effect of paper cylinder radius on angle distribution of film drops

图6 纸筒半径对膜液滴轴向高度分布的影响Fig.6 Effect of paper cylinder radius on height distribution of film drops

结合高速摄像实验[3,13]分析以上尺寸、空间分布的结果。由于膜液滴飞行速度及方向由产生时刻射流所处球面方位角决定：中间角度膜液滴产生初始时刻沿液帽切向向上飞行，随着纸筒半径增大，撞击高度逐渐增大；边缘角度膜液滴产生初始时刻沿着液帽切向向下飞行，随着纸筒半径增加，撞击高度逐渐降低，最终撞击水面消失。在真实情况下，由于液膜厚度受到重力影响，气泡球面液膜中间薄边缘厚，边缘方位角产生的膜液滴的直径大于中间方位角产生的膜液滴的直径，飞行过程中较大直径液滴在重力的作用下在到达纸筒之前撞击水面。综上，随着纸筒半径的增大，逐渐形成膜液滴平均直径变小、周向角度分布变窄、轴向高度分布变宽的空间图谱。

同一半径(Rp=50 mm)纸筒上不同大小气泡(曲率半径分别为21.5、22.9、24.6、28.4 mm)下多次破裂产生膜液滴的空间分布谱如图7所示。

将该组实验数据绘制成膜液滴尺寸分布方框图，如图8所示。由图8可见，方框图形状上宽下窄，平均值高于中间值，表明纸筒上撞击的小尺寸膜液滴份额较多，大尺寸膜液滴份额较少。随着气泡曲率半径的增加，膜液滴平均直径逐渐增大，膜液滴尺寸分布范围逐渐变大。将实验数据绘制成周向角度分布曲线，如图9所示，分区统计间隔为30°。由图9可见，各曲线变化趋势均是中间角度区域高、边缘角度区域低，随着气泡曲率半径的增加，周向分布曲线峰值降低，曲线趋势由陡峭逐渐变得平缓，表明膜液滴由集中在中间方位角区域逐渐向边缘方位角扩散。将实验数据绘制成轴向高度分布曲线，如图10所示，分区统计间隔为10 mm。由图10可见，各曲线变化趋势均是纸筒底部区域高、顶部区域低，随着气泡曲率半径的增加，轴向上膜液滴最大高度逐渐变大，轴向分布曲线峰值降低，曲线趋势由陡峭逐渐变得平缓，表明膜液滴由集中在纸筒底部区域逐渐向顶部区域扩散。

曲率半径：a——21.5 mm；b——22.9 mm；c——24.6 mm；d——28.4 mm

图8 气泡曲率半径对膜液滴尺寸分布的影响Fig.8 Effect of different bubble radiion size distribution of film drops

结合此前高速摄像实验结果，分析以上尺寸、空间分布结果。膜液滴尺寸主要同气泡大小有关，随气泡曲率半径增大，膜液滴平均直径逐渐增大，膜液滴尺寸分布范围逐渐变宽。与此同时，液帽所对应的球心仰角逐渐增大，不稳定射流顶端速度仰角逐渐增大，使得膜液滴初始最大速度仰角(膜液滴速度同水面交角)增大，因此在同一半径纸筒表面撞击高度逐渐增大，周向角度、轴向高度分布逐渐变宽。综上，随着气泡曲率半径增大，逐渐形成膜液滴平均直径变大，周向角度分布变宽，轴向高度分布变宽的空间谱。

图9 气泡曲率半径对膜液滴周向角度分布的影响Fig.9 Effect of bubble radius on angle distribution of film drops

图10 气泡曲率半径对膜液滴轴向高度分布的影响Fig.10 Effect of bubble radius on height distribution of film drops

3 结束语

本文利用实验方法研究了纸筒半径及气泡大小对膜液滴空间分布的影响，得到以下结论。随纸筒半径的增大，膜液滴尺寸分布范围逐渐减小，膜液滴平均直径减小，中间角度区域膜液滴份额提高，边缘角度区域膜液滴份额降低，纸筒底部区域膜液滴份额降低，顶部区域膜液滴份额提高。随气泡曲率半径的增大，膜液滴尺寸分布范围逐渐增大，膜液滴平均直径增大，中间角度区域膜液滴份额降低，边缘角度区域膜液滴份额提高，纸筒底部区域膜液滴份额降低，顶部区域膜液滴份额提高。

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Experimental Research on Space-distribution of Film Drops Produced by Single Bubble Bursting

MA Chao1, BO Han-liang2

(1.ScienceandTechnologyonReactorSystemDesignTechnologyLaboratory,NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu610041,China;2.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

The phenomenon of the film drops produced by the single bubble bursting at a free water surface was researched. The rice paper cylinder, which was made under special technique process and did not soak the ink at the surface, was used to conduct the space distribution experiment of the film drops produced by bubble bursting in the ink water. The size and space distributions of film drops on the different radius cylinders were obtained by scanning the picture and using the image processing code programmed in Matlab. With experiment conditions changing, the impact of the bubble size and the radius of the rice paper cylinder on space distributions of film drops was discussed. The rule of the space distribution of film drops produced by single bubble bursting at a free water surface was obtained under the normal temperature and pressure condition.

steam generator; steam water separation; single bubble bursting; film drops; space distribution experiment

2014-06-27;

2015-02-01

马 超(1987—)，男，辽宁铁岭人，工程师，博士，核科学与技术专业

TL333

A

1000-6931(2015)10-1766-06

10.7538/yzk.2015.49.10.1766