竖直矩形通道内空气—水两相流动中气泡聚合研究

王璐　孙中宁　张林　李伟　唐昌兵　刘洋华　武小莉

【摘 要】本文在自然循环条件下，研究竖直上升矩形通道（50×50mm2）内气泡聚合行为特性，在此基础上进一步分析气泡聚合对自然循环能力的影响。结果表明：本实验条件下气泡初始平均直径大于4.5mm时升力系数大于零，直径小于4.5mm时升力系数变为负值；两气泡平均间距大于8.3mm时，几乎不能看到聚合过程；实验范围内，自然循环水流量是随着气体流量的增加而增大，在气体流量小于1.30kg/h，增大气流量对提升自然循环能力的效果较气流量大于1.30kg/h更好。

【关键词】自然循环；矩形通道；空气-水；气泡聚合

0 引言

针对事故工况下安全壳的降温降压，新一代反应堆中多引入了非能动安全壳冷却系统（PCCS），该系统可以不借助外部动力装置，仅依靠自然循环等物理规律实现对安全壳的保护功能[1-5]。鉴于气泡泵的引入能大幅降低自然循环系统上升段的密度，提高驱动力及自然循环能力，而气泡间的典型行为（如聚合等）对上升段的空泡份额有显著影响，空泡份额又密切关系着两相密度及自然循环能力。因此，有必要对自然循环条件下气泡聚合行为特性及其对自然循环能力的影响进行研究。

Allan[6]通过实验发现，当液膜厚度减薄到100nm时， 除了毛细压力的作用外， 还开始受到一种叫做“附加压”的作用。当附加压大于零时，它对液膜的减薄过程是不利的； 而当它小于零时，它又会起到促进的作用， 这个附加压是由双电层作用力、范德华分子力和内部结构作用力组成的，前两者是构成有名的DLVO理论的基础。文献回顾表明，目前关于气泡聚合的研究主要集中在两个或三个气泡，借助可视化实验研究和数值模拟方法对气泡的聚合行为进行分析和讨论。然而实际工程应用中多数情况下存在大量气泡，针对自然循环系统内部的两相流动工况，大量气泡聚合问题研究及其对自然循环能力的影响还十分有限。基于此，本文在自然循环条件下，开展矩形通道内大量气泡间聚合行为研究，为提高自然循环能力提供理论依据与工程指导。

1 实验系统

竖直通道内气液两相上升流动实验装置如图1所示。该实验装置由气泡生成系统、自然循环回路系统、参数测量装置和数据采集系统四部分构成。

气泡生成系统由空气压缩机、储气罐、气体流量控制阀、质量流量计和环形陶瓷套筒及相关管道阀门组成。

2 图像处理方法

由于实验过程中高速摄像仪垂直于实验段进行拍摄，因此同一水平面上存在着气泡的叠加现象，由于汽泡与高速摄像仪的距离不同，造成同一视图内部的汽泡边界具有明暗差异，因此，需要根据气泡灰度的不同进行筛选。使用Image-Pro Plus软件处理后的气泡筛选及后处理。

3 实验结果分析

3.1 两相同高度处气泡的聚合行为

图2表示两平行气泡的聚合过程，两个气泡聚合前的平均直径为1.295mm，聚合后气泡直径为1.630mm。在气泡聚合前，它们都是以螺旋式的运动方式不断上升。在图（d）和图（e）中，虽然两气泡看似重合在一块，在图（f）中却又再次分开，说明他们并没有发生聚合，而是在同一水平面上无接触地各自进行着螺旋式上升运动，两气泡的间距在不断缩短，直至发生碰撞，并最终聚合為一个气泡。

3.2 同一轴向上的两个气泡的聚合行为

竖直两气泡的聚合过程如图3所示。两气泡聚合前的平均直径为1.020mm，聚合后的大气泡直径为1.576mm。气泡的聚合行为可由气泡尾流效应解释。开始的时候，下方气泡在上方气泡的尾流中，由于尾流效应的影响，下方气泡受到的阻力很大一部分被上方气泡抵挡，因此，下方气泡可以获得一个很大的加速度，且越是靠近上方气泡，这个加速度越大。随后，由于惯性的作用，下方气泡瞬时超过了上方气泡，但它受到的阻力也瞬间变大，气泡速度马上降低。而被超越的原上方气泡也因为尾流效应速度突然增大，于是两个气泡发生了碰撞，并最终完成了聚合。

3.3 气泡聚合对自然循环能力的影响

实验系统中自然循环水流量与注气量的关系如图4所示。气体流量较小时，水流量的增长速率非常快，两者存在着良好的线性关系；而当注气量大于1.30kg/h时，自然循环水流量的增长速率下降明显，但仍能保持线性增加的趋势。

气体流量小于1.30kg/h时，随着气体流量的增大，气泡直径不断增大，气泡数密度也增多不少。因此，气泡与水体的接触面积迅速扩大，气泡对水的抬升作用明显加强，即相同长度区段内的气泡群，对自然循环能力的提升作用更显著。这时的气泡聚合并没有对自然循环水流量的增加产生什么阻碍作用。当气体质量流量大于1.3kg/h时，有机玻璃实验段的竖直壁面上开始聚集一层气泡群，它们的运动速度很慢，对液相水的抬升作用非常小，相反还堵住了流道的一部分流通面积。这严重阻碍了气液两相的流动，所以就出现了图中4所示的后半段水流量增长速率的明显降低。尽管如此，不断增加的气体流量还是对自然循环能力的增强起到了一定的作用，这是由于增加的气相流量导致上升段两相密度的降低，驱动力增大导致自然循环能力的提升。此外，实验范围内最大气流量工况也观察到气泡聚合为大气弹，气体仍然以分散气泡的形式存在于连续向上流动的液相水中，因而气流量的增大也就必然会增加水的流速。

Thomas[7]对强湍流状态下两气泡的聚合机理进行了研究。气液两相界面之间的液体，在接触碰撞的过程中，由于相互作用力的影响被不断挤出，这层液膜脱落到临界聚合间距的时间为：

实际上，湍流强度与ε1成正比。也就是说湍流强度的上升使T减小。τ也随湍流强度的增大而增长，即湍流强度的增强对气泡的聚合不利。所以当气体流量很大时，强湍流作用反而使气泡难以聚合。观看高气体流量时拍摄的录像，确实很少看到聚合现象的发生。

综上所述，自然循环水流量是随着气体流量的增大而增大的。在气体流量小于1.30kg/h时，增大气流量对自然循环能力的提升效果较好；大于1.30kg/h之后，效果有下降的趋势，但也不用担心流量过大会导致气泡聚合为气弹而使水流量大大降低。

4 结论

本文借助高速摄像仪，自然循环条件下研究了竖直上升矩形通道（50×50mm2）内气泡聚合行为特性，在此基础上进一步分析气泡聚合对自然循环能力的影响，所得主要结论如下：

（1）气泡初始直径及初始间距是影响两水平气泡聚合过程的重要因素，本实验条件下气泡初始平均直径大于4.5mm时升力系数大于零，直径小于4.5mm时升力系数变为负值；两气泡平均间距大于8.3mm时，几乎不能看到聚合过程。

（2）对于两竖直气泡的聚合过程，下方气泡受到的阻力很大一部分被上方气泡抵挡，下方气泡可以获得一个很大的加速度，下方气泡瞬时超过了上方气泡，但它受到的阻力也瞬间变大，气泡速度马上降低，发生碰撞的瞬间发生聚合，即尾流效应是影响这类气泡聚合的主要因素。

（3）自然循环水流量是随着气体流量的增加而增大，在气体流量小于1.30kg/h时，增大气流量对自然循环能力的提升效果较好；大于1.30kg/h之后，效果有下降的趋势，但也不用担心流量过大会导致气泡聚合为气弹而使水流量大大降低。

【参考文献】

[1]Lakshmanan S P，Pandey M.Analysis of startup oscillations in natural circulation boiling systems[J].Nuclear Engineering and Design，2009，239（11）：2391-2398.

[2]黃代顺，蒋孝蔚，余红星，等.非能动安全壳冷却系统CFD冷凝和蒸发模型研究[J].核动力工程，2013，34（z1）：188-191，195.

[3]蒋孝蔚，余红星，孙玉发等.非能动安全壳冷却系统传热传质模型研究[J].核动力工程，2013，34（5）：118-123.

[4]叶成，郑明光，韩旭，等.AP1000核电站非能动安全系统的比较优势[J].原子能科学技术，2012，46（10）：1221-1225.

[5]于雷，谢海燕，蔡章生，等.非能动余热排出系统数学模型研究与运行特性分析[J].核科学与工程，2008，28（3）：233-243，272.

[6]Allan R S，Charles G E，Mason S G.J Colloid Sci，1961；16：150-165.

[7]Thomas R M Bubble Coalescence in Turbulent Flows 1981（06）.