摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡时空分布特性

鲍伟，陈炳德，徐建军，谢添舟，黄彦平（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）



摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡时空分布特性

鲍伟，陈炳德，徐建军，谢添舟，黄彦平
（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）

摘要：过冷流动沸腾在核能、动力、化工等工业领域广泛存在，局部空泡分布特性的准确预测对构建两相流数理模型及两相流动压降和传热特性计算均具有重要意义。实验借助光学探针测量手段研究摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡分布特性，并提出多周期同相位叠加方法获得摇摆运动条件下局部瞬时空泡份额。实验结果表明：摇摆条件下圆管内局部空泡分布呈现周期性波动规律，摇摆条件下圆管轴心区及近壁区均会出现局部空泡份额峰值，且流道近壁区局部空泡份额波动幅度最大；与静止条件下不同，摇摆运动周期内过冷沸腾局部空泡份额空间分布形态随时间发生变化；摇摆周期和摇摆角度对过冷沸腾局部空泡分布特性也存在一定影响。

关键词：两相流；过冷沸腾；空隙率；光学探针；摇摆条件；气泡

2015-08-31收到初稿，2016-01-14收到修改稿。

联系人：陈炳德。第一作者：鲍伟（1986—），男，博士研究生。

Received date: 2015-08-31.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (11475161) and the Youth Science Foundation of Sichuan Province (2014JQ0029).

引　言

过冷沸腾在核能、动力、化工、制冷及航空航天等工业领域广泛存在。过冷沸腾过程中局部空泡份额分布不均匀性会改变汽液两相流动和传热特性，也会影响反应堆内平均冷却剂密度、堆芯中子动力学特性；此外，建立、发展两流体模型也需要两相流动局部参数实验数据的验证。在海洋环境中，舰船会出现倾斜、摇摆等运动状态，摇摆运动会引入时空瞬变的附加外力场，如切向力、离心力及科氏力等，同时还伴随着浮力在流动方向上的变化。这些附加瞬变外力场的共同作用可能使得汽液两相沸腾换热规律及两相流动特性发生改变，直接影响核动力装置的性能及安全。

由于汽液两相流动局部参数测量技术的制约，实验研究两相流局部相界面参数特性较为困难。目前对汽液两相流局部空泡份额最常用的测量方法主要包括侵入式光学探针法与电导探针法。近些年，四探头探针[1-2]、五探头探针[3]及WMS（wire-mesh sensor）探针[4-5]技术得到了发展，获得了局部相界面参数测量结果。

大量研究者借助光学探针实验手段对空气-水系统汽液两相流动局部相界面参数分布特性进行研究[6-10]，实验结果表明绝热条件下汽液两相流动径向局部空泡、IAC等参数分布特性呈现出3种典型形态：近壁峰值、轴心峰值和中间峰值。孙波等[11]对相分布机理进行研究并指出气泡径向受升力及湍流分散力综合作用，决定了气泡径向运动，形成了不同相分布规律。

对过冷沸腾相分布实验及理论研究相对较少。Sekoguchi等[12]最早采用电导探针对圆管内过冷沸腾空泡份额径向分布特性进行研究。Hasan等[13]与Roy等[14]分别采用热线风速仪与光学探针测量圆环通道内R-113过冷沸腾局部空泡份额。Yun[15]采用光学探针对圆环通道内过冷沸腾相分布特性进行实验研究，指出过冷沸腾条件下与绝热条件下的相分布特性完全不同，实验中并不存在鞍形分布形态。Garnier等[16]采用光学探针对内径为19.2 mm的竖直圆管内过冷沸腾相分布特性进行研究，实验发现U形、鞍形和弧形等不同类型的相分布形态。Sun 等[17]采用双探头光学探针对竖直圆管内低流速过冷沸腾进行实验研究，发现随着热平衡含气率的增加，径向空泡分布从U形向鞍形、弧形演化。Situ 等[18]、Lee等[19]及Yun等[20]对圆环通道内过冷沸腾相分布特性及其演化过程进行实验研究。然而，上述实验研究工作均在静止条件下开展，其在摇摆运动条件下的准确性尚待验证。

目前，摇摆条件下过冷沸腾局部空泡分布特性研究还未见公开文献。因此，本研究采用光学探针对摇摆运动条件下圆管内过冷沸腾局部空泡时空分布特性进行实验。

1　实验系统和实验方法

1.1实验回路

实验回路系统如图1所示，其中实验段、换热器、预热器及光学探针系统安装在六自由度运动平台上，水箱、泵、阀门安装在地面上，台上和台下设备通过柔性金属管道联结。实验段为内径D=24 mm圆管，由加热段和可视段两部分组成，加热段长度1 m。实验工质去离子水经往复泵增压后流上运动平台进入预热器后流入实验段，随后流入换热器冷凝，最后工质流入水箱形成循环。如图2所示，运动台以某一摇摆振幅和频率按正弦规律运动。

图1　实验系统Fig.1　Schematic diagram of experimental devise

图2　摇摆运动规律Fig.2　Diagram of rolling motion

实验采用双探头光学探针测量过冷沸腾局部空泡份额，光学探针测量系统由探针、光电转换模块、信号采集卡、示波器及信号处理系统组成。光学探针是利用探头处于汽相和液相不同介质时反射光强度不同来实现探头处汽液两相介质的辨别。探针测点布置于距实验段入口40D（D=24 mm）轴向位置处，同时探针可通过步进控制机构远程驱动沿圆管径向移动。摇摆条件下，分别在r/R=0～0.9范围内6个径向位置进行测量，其中r为径向测量位置，R为流道半径。实验参数范围见表1。

表1　实验参数范围Table 1　Ranges of experimental parameters

1.2实验数据处理

实验过程中通过调节泵频率、回路背压阀使系统压力及流量维持恒定。通过调节预热器功率达到指定入口温度，改变实验段加热功率达到指定工况。测点处的局部空泡份额为

式中，r为流道截面的径向位置；Tc为总采样时间；N为探测到的气泡数；tj为气泡与探针的接触时间。

为验证光学探针测量的准确性，将探针测量的局部空泡份额经面积加权平均后，与压差法计算得到的空泡份额进行比较，在竖直条件下，圆管内局部空泡份额分布具有轴对称特性，因此截面加权平均可根据光学探针测量得到的局部空泡份额径向分布曲线由式（2）计算获得，式中αave为截面平均空泡份额。对比结果如图3所示，探针测量结果和压降法相对误差在±15%以内，表明本实验采用的光学探针及相关设备准确可靠。

1.3多周期同相位叠加方法

光学探针基于时间平均方法处理获得局部空泡份额，摇摆条件下实验段位置处于瞬态变化过程中，因此不能采用长时间总体平均方法统计计算局部参数。本文提出一种多周期同相位叠加方法：在某一局部位置测量多个完整周期T时间内光学探针数据，根据摇摆运动规律按周期长度将数据等分，再按实验段相同角度变化将各周期内数据进一步划分不同相位，将各个周期内相同相位段数据叠加统计获得局部参数，从而获得摇摆条件下不同时刻的瞬时局部空泡份额。

图3　空泡份额光学探针测量值与压降法测量值对比Fig.3　Comparison of void fraction measured by optical probe method with gravitational pressure drop method

2　实验结果与分析

2.1多周期同相位叠加方法敏感性分析

图4　多周期同相位叠加方法敏感性分析Fig. 4　Sensitivity analysis of periodical accumulation method

图4为摇摆条件下多周期同相位叠加方法的敏感性分析结果。选取运动周期为10 s，摇摆最大角度为20°的实验工况为例，首先对划分相位数进行敏感性分析，由图4(a)可见，当相位数为4时，局部空泡份额随时间无显著周期性变化趋势，这是由于较少相位数时，每个相位持续时间较长，局部参数的变化被展平。随着相位数增加，局部空泡份额随着时间呈现明显周期性变化特性，且当相位数增大到16时，周期性规律基本恒定。图4(b)所示为叠加周期数敏感性分析，当周期数较少时局部空泡份额变化规律呈现一定振荡，随着叠加周期数增加，局部空泡份额变化规律更加平稳，这是由于统计时间样本增加后统计值趋于恒定。本文后续实验分析中相位数选为16，周期叠加数均大于9。

2.2局部空泡时空分布特性

图5为摇摆条件下圆管流道内过冷沸腾局部空泡份额瞬时分布特性。由图可见，随着流道摇摆运动，局部空泡份额呈现周期性波动规律。流道自竖直平衡位置为起始点，在摇摆运动1/4周期内，流道沿正方向逐渐倾斜，随着倾斜角度增大流道各位置处局部空泡份额逐渐增大；2/4周期内流道由最大倾斜状态逐渐回到平衡位置，局部空泡份额逐渐减小；在3/4周期内，流道沿负方向逐渐倾斜，局部空泡份额继续减小；最后1/4周期内流道由最大倾斜状态逐渐回到平衡位置，局部空泡份额逐渐增大。流道径向各位置处局部空泡份额峰值出现在流道运动至正最大倾斜角度时刻，局部空泡份额最小值出现在流道运动至负最大倾斜角度时刻。流道不同局部位置处局部空泡份额的波动幅度均不同，r/R=0.8位置处局部空泡份额波动幅度最大，r/R=0位置处局部空泡份额波动幅度最小。在热通量q=350 kW·m−2工况下，摇摆引起的流道内局部空泡份额分布不均匀程度较大，流道内局部空泡份额最低可减小至0，r/R=0.8位置处局部空泡份额波动范围可达0～0.5。在热通量q=400 kW·m−2工况下，各局部位置空泡份额增大，汽液两相相互作用增强，使得摇摆引起的流道内局部空泡份额分布不均匀性减弱。

图5　不同热流工况下摇摆圆管内过冷沸腾局部空泡份额瞬时分布特性Fig.5　Instantaneous distribution of local void fraction in subcooled boiling flow under rolling condition for different heat flux

图6　不同热流工况下摇摆圆管内过冷沸腾局部空泡份额空间分布特性Fig.6　Spatial distribution of local void fraction in subcooled boiling flow under rolling condition for different heat flux

图6为摇摆条件下圆管流道内过冷沸腾局部空泡份额空间分布特性，图中示出摇摇运动周期内8个时刻的圆管径向分布并与静止条件下结果对比。由图可见，静止条件下竖直圆管径向方向过冷沸腾局部空泡份额随时间呈现稳定分布形态，与静止条件下不同，摇摆运动周期内过冷沸腾局部空泡份额空间分布形态随时间发生变化，且在不同热流工况下摇摆运动对不同空间范围内局部空泡份额影响程度不同。在低热流工况下，静止竖直圆管内局部空泡份额分布呈现“近壁峰值”形态，摇摆运动前半周期近壁面空泡峰值增大，后半周期近壁面空泡峰值减小，摇摆运动对轴心区局部空泡份额基本无影响，对近壁区局部空泡份额影响最大；在高热流工况下，静止竖直圆管内局部空泡份额分布呈现“轴心峰值”形态，摇摆运动导致径向各局部位置空泡份额均小于静止条件下局部空泡份额，使得局部空泡份额空间分布趋于均匀，其中摇摆运动对近壁区局部空泡份额影响最小，对流道中间区局部空泡份额影响最大。

2.3运动参数对局部空泡分布特性的影响

图7为摇摆角度对局部空泡份额分布特性的影响。由图可见，在较低热流工况下，局部空泡份额值较小，波动范围也较小，随着摇摆角度增大，摇摆前半周期局部空泡份额波动幅度显著增加，摇摆后半周期局部空泡份额均很小；在较高热流工况下，局部空泡份额值增大，波动范围较大，随着摇摆角度增大，摇摆运动周期内局部空泡份额波动幅度增大。

图7　摇摆角度对过冷沸腾局部空泡份额分布的影响Fig.7　Rolling amplitude effect on local void fraction distribution in subcooled boiling flow

图8为摇摆周期对局部空泡份额分布特性的影响。由图可见，在较低热流工况下，摇摆周期对局部空泡份额分布影响较小；在较高热流工况下，局部空泡份额值增大，随着摇摆周期增大，摇摆运动周期内局部空泡份额值增大。

图8　摇摆周期对过冷沸腾局部空泡份额分布的影响Fig.8　Rolling period effect on local void fraction distribution in subcooled boiling flow

3　结　论

本实验采用光学探针测量流道截面不同位置处局部空泡份额，对摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡时空分布特性进行研究，结论如下。

（1）提出了多周期同相位叠加方法并对相位数、周期数进行敏感性分析，获得了摇摆运动条件下圆管通道内过冷沸腾局部瞬时空泡份额。

（2）摇摆条件下圆管流道内过冷沸腾局部空泡份额随摇摆运动呈现周期性波动规律。流道径向各位置处局部空泡份额峰值均出现在流道运动至最大倾斜角度时刻，其中近壁区局部空泡份额波动幅度最大，轴心区局部空泡份额波动幅度最小。

（3）与静止条件下不同，摇摆运动周期内过冷沸腾局部空泡份额空间分布形态随时间发生变化。在低热流工况下，摇摆运动前半周期近壁面空泡峰值增大，后半周期近壁面空泡峰值减小；在高热流工况下，摇摆运动导致局部空泡份额空间分布趋于均匀。

（4）随着摇摆角度增大，摇摆运动周期内局部空泡份额波动幅度增大。在较低热流工况下，摇摆周期对局部空泡份额分布影响较小；在较高热流工况下，随着摇摆周期增大，摇摆运动周期内局部空泡份额值增大。

符号说明

G——质量流速，kg·m−2·s−1

N——气泡数

p——压力，MPa

q——热通量，kW·m−2

R——圆管半径，m

r——圆管径向位置

T——摇摆周期，s

ΔT——过冷度，℃

t——时间，s

tj——汽泡与探针接触时间，s

α——局部空泡份额

θ——摇摆角度，(°)

下角标

ave——截面平均

m——最大值

sub——过冷

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Distribution of local void fraction for subcooled boiling flow in rolling circular tube

BAO Wei, CHEN Bingde, XU Jianjun, XIE Tianzhou, HUANG Yanping
(CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal Hydraulic Technology, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, Sichuan, China)

Abstract:Subcooled boiling flow exists in many technical applications of process and engineering such as nuclear reactors, steam generators and refrigeration systems. Accurate prediction of local void fraction is of significance for establishment of two-phase flow mathematical model and estimation of pressure loss and heat transfer capability. The radial local void distribution of subcooled boiling flow under rolling conditions was experimentally investigated by double-sensor optical probe, of which the transient local void fraction was obtained by periodical accumulation method. It showed that the local void distribution under rolling conditions exhibited a periodic variation, where the peak void fraction appeared in near-core region and near-wall region of the circular tube, and the largest amplitude of local void fluctuation existed in the near-wall region. Different from that under static conditions, the spatial distribution of local void fraction changed with the time within a rolling period. Furthermore, the period and amplitude rolling influence the distribution of local void fraction.

Key words:two-phase flow; subcooled boiling flow; voidage; optical probe; rolling condition; bubble

中图分类号：TK 124

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）06—2277—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151372

基金项目：国家自然科学基金项目（11475161）；四川省青年基金项目（2014JQ0029）。

Corresponding author:CHEN Bingde, bdchen@mail.sc.cninfo.net