不凝结气体对蒸汽浸没射流压力振荡强度的影响

从跃磊，种道彤，严俊杰

(1.华北电力科学研究院有限责任公司 西安分公司，陕西 西安 710065；2.西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049)

蒸汽-水直接接触凝结换热具有高效的传热性能，广泛应用于余热回收利用蒸汽引射器、电厂直接接触式换热器如除氧器、核电非能动安全壳冷却系统等众多领域。核反应堆的卸压系统内，掺杂有少量不凝结气体的蒸汽射流到压水堆换料水箱或沸水堆抑压池的过冷水中，不凝结气体严重影响汽水直接接触凝结换热、汽水流动及其压力振荡特性。压力振荡产生的冲击载荷对水箱壁面等相关设备有重要影响，严重威胁设备的安全运行和使用寿命。不凝结气体对蒸汽浸没射流压力振荡特性具有显著影响，因此研究其射流的凝结形态及振荡强度对相关工业设备的设计和运行具有重要意义。

目前，对含不凝结气体蒸汽浸没射流的研究仍很缺乏，仅有少数学者进行了相关研究。Chan等[1-8]对纯蒸汽浸没射流时的蒸汽凝结形态、压力振荡强度以及压力振荡频率等内容进行了相关研究。Song等[9]实验研究发现，随空气质量分数的增加，凝结振荡区的压力振荡强度先增强后逐渐减弱，峰值对应的温度缓慢降低。Kim等[10]发现在凝结振荡区，压力振荡强度随空气质量分数的增大先增大后减小。屈晓航等[11-12]通过测量流场中温度的分布确定了汽羽的穿透长度。实验结果表明，含有少量的不凝结气体，使得轴向和径向的温度下降速度减缓。Zhao等[13-15]研究发现，含有少量不凝结气体时较纯蒸汽浸没射流振荡强度明显减弱，随过冷水温度的升高，两强度的相差逐渐减弱。含不凝结气体的蒸汽沿浸没射流方向存在峰值，且随空气质量分数、蒸汽质量流率及过冷水温度的增加而增大。

本文对含有不凝结气体的蒸汽浸没射流凝结形态和压力振荡强度进行实验研究，为相关工业设备的设计和运行提供参考。

1 含不凝结气体蒸汽浸没射流实验

1.1 实验系统

含不凝结气体蒸汽浸没射流实验系统如图1所示，主要由蒸汽系统、空气系统、测量系统、数据采集系统、可视化系统、水箱喷嘴以及阀门管道等组成。蒸汽系统采用电热蒸汽锅炉，通过涡街质量流量计测量蒸汽质量流量。空气系统采用螺杆式空气压缩机供气，采用热式气体质量流量计测量空气质量流量。实验设备可满足各项参数工况要求。

图1 含不凝结气体蒸汽浸没射流实验系统Fig.1 Experiment system of submerged steam jet containing non-condensable gas

采用T型热电偶测量过冷水温度，采用高频动态压力传感器测量流场压力，压力测点布置如图2所示。采用NI数据采集系统进行实验数据的采集。为研究不凝结气体对蒸汽浸没射流压力振荡凝结形态的影响，通过可视化系统对实验过程中凝结形态的变化进行观察和记录。

图2 压力测点布置Fig.2 Distribution of pressure measuring point

在实验开始前，调整高速摄像机以备用，并保证其高度与射流方向垂直，调整焦距、光源强度以获得最佳拍摄效果，在既定的工况参数下拍摄凝结形态。系统提供各参数的蒸汽和空气，蒸汽-空气按一定比例混合后，即含不凝结气体的饱和蒸汽，经喷嘴喷射进入过冷水中，利用调节阀调整蒸汽-空气的质量流量，并用测量系统及数据采集系统得到各工况的压力振荡参数。通过数据处理来分析不凝结气体对蒸汽浸没射流凝结形态及压力振荡强度的影响。

1.2 实验条件

为研究不同空气含量对蒸汽浸没射流凝结形态及压力振荡强度的影响，采用空气与蒸汽质量流率的比值来表示空气的含量。空气质量分数A表达式如下：

A=Ga/Gs×100%

式中，Gs、Ga分别为蒸汽和空气的质量流率，kg/(m2·s)。

为研究水箱中不同位置处压力振荡的强度，定义射流轴向和径向距离与喷嘴出口直径的比值为无量纲数。轴向、径向无量纲距离表达式如下：

X=x/de，R=r/de

式中：x为轴向距离，mm；r为径向距离，mm；de为喷嘴出口直径，mm。

实验条件列于表1。

表1 实验条件Table 1 Experimental condition

图3 压力振荡的原始信号Fig.3 Pressure oscillation original signal

1.3 数据处理

压力振荡的原始信号如图3所示，从图3可看出射流压力振荡的强度趋势。

利用压力振荡的原始信号求得均方根(prms)值，研究压力振荡强度的变化。

式中：pi为瞬时压力，kPa；N为采样数量；pav为平均压力，kPa。

1.4 实验数据的重现性

为验证所得实验数据的重现性，在同一工况参数下进行了多次实验。对压力振荡数据进行处理，得到的压力振荡强度的重现性曲线如图4所示。可看出，两次压力振荡强度的实验曲线基本重合，说明实验数据具有良好的重现性。

图4 压力振荡强度的重现性Fig.4 Repeatability of pressure oscillation intensity

2 结果与分析

2.1 不凝结气体对蒸汽浸没射流凝结形态的影响

含有少量不凝结气体的蒸汽喷射进入过冷水的过程中，携带较大动量的饱和蒸汽对静止的过冷水产生冲击，在过冷水中喷嘴轴线方向形成汽羽的外形并不断向后延伸。

实验研究了空气质量分数对蒸汽浸没射流汽羽形状的影响。不同空气质量分数、蒸汽质量流率和过冷水温度下具有代表性的汽羽形状如图5所示。

从图5可看出，随空气质量分数的逐渐增大，汽羽形状发生了显著变化。过冷水温度较低时，过冷水冷凝能力较强，纯蒸汽浸没射流质量流率较小，汽羽及其尾部脱离的蒸汽泡快速被凝结，因此核心汽羽的形状较短小，汽羽尾部两相区无气泡。

随蒸汽质量流率的增加，蒸汽喷射进入过冷水中的含量增大，其携带的动量增加，同时过冷水对蒸汽射流存在流动阻力，从而使核心汽羽发生稍许的膨胀，空气质量分数较小时，汽羽形状明显发生改变，少量空气的存在增加了凝结换热热阻，恶化了凝结换热效果，汽羽边界波动愈加剧烈，并不断向外扩张，汽液接触面积即换热面积增大。

在空气质量分数和过冷水温度增加的过程中，汽羽形状逐渐发生变化，汽羽边界形成不凝结气体层，蒸汽不能被及时凝结，被汽流携带向下游，使得核心汽羽增长，且其携带动量逐渐减弱，换热时间的稍许增加使其得到有效换热，从而汽羽尾部两相区摆动幅度增大，且摆动周期增长，流场空间内影响的范围亦逐渐加大。

图5 不同参数下射流的汽羽形状Fig.5 Vapor plume shape under different parameters

当空气质量分数、蒸汽质量流率和过冷水温度较大时，更多的蒸汽进入过冷水中，过冷水温度升高使其冷凝能力下降，空气含量较高、凝结换热热阻较大，均使得蒸汽不能及时被凝结。

同时，汽液界面变得非常不稳定，波动剧烈，大量蒸汽被携带向下游，汽羽长度增加，汽液界面的换热面积增大，故出现汽羽尾部两相区变得发散，且汽羽尾部周期性脱离无数明显的微小气泡，脱离、破裂的速率也明显减慢，且其体积也明显增大，这从图中较光亮的部分可明显看到。

2.2 不凝结气体对压力振荡强度的影响

压力振荡强度随空气质量分数的变化规律如图6所示。实验表明，不凝结气体对蒸汽浸没射流凝结压力振荡强度有非常重要的影响。

图6 压力振荡强度随空气质量分数的变化Fig.6 Pressure oscillation intensity variation with air mass fraction

空气质量分数为1%～5%时的压力振荡强度明显较空气质量分数为0%时的小，即含少量不凝结气体蒸汽的压力振荡强度较纯蒸汽压力振荡强度明显变小。但在一定蒸汽质量流率和过冷水温度下，含有少量不凝结气体的压力振荡强度随空气质量分数的增加整体呈缓慢上升趋势。

含有不凝结气体的饱和蒸汽直接喷射进入过冷水中时，蒸汽和过冷水之间通过汽液界面进行传热，但其存在不凝结气体层，使得蒸汽冷凝阻力增加，对其传热产生阻碍作用。

2.3 不凝结气体对压力振荡空间分布的影响

1) 轴向分布规律

压力振荡强度随轴向无量纲距离的分布规律如图7所示。随轴向无量纲距离的增加，压力振荡强度先增大后逐渐减小，存在明显的压力振荡峰值，随空气质量分数的增加，峰值位置沿轴向后移。从图7可见，峰值位置在轴向无量纲距离X=3和X=7之间。一方面由于空气质量分数增大总的质量流率增加，汽羽穿透长度增大，另一方面随着空气质量分数的增加，不凝结气体层加厚，汽泡的体积越来越大，使得蒸汽在过冷水中凝结的过程中，换热热阻增加，从而减缓了蒸汽泡溃灭过程，凝结所需时间增长，峰值位置后移。

图7 压力振荡强度随轴向距离的分布Fig.7 Pressure oscillation intensity variation with axial distance

2) 径向分布规律

在流场中不同测点位置压力振荡的强弱不同，压力振荡强度随径向无量纲距离的分布规律如图8所示。在不同的空气质量分数下，随径向无量纲距离的增加，压力振荡的强度单调减弱。不同的汽水参数下，压力振荡强度沿径向无量纲距离的衰减规律基本一致。

图8 压力振荡强度随径向距离的分布Fig.8 Pressure oscillation intensity variation with radial distance

压力振荡现象的产生归因于汽液界面的两侧在热量和质量的传递与交换过程中相界面的波动作用。压力振荡在流场空间各处传播时，随径向无量纲距离的增加，逐渐远离射流汽羽边界，即逐渐远离振荡的振源，表现出压力振荡强度随径向无量纲距离的增加逐渐减小。

2.4 不凝结气体对压力振荡峰值特性的影响

压力振荡峰值(pv)的大小与位置对实际工程应用中合理选择设备尺寸及其安装位置、有效避开压力振荡最强烈的区域有十分重要的指导意义。

1) 不凝结气体对压力振荡峰值大小的影响

不同蒸汽质量流率下，压力振荡峰值随空气质量分数的变化如图9所示。在稳定凝结区域，一定空气质量分数下，压力振荡峰值随蒸汽质量流率的增加而逐渐增大，当凝结形态接近凝结振荡区时，压力振荡峰值略高。

不同过冷水温度下的压力振荡峰值随空气质量分数的变化如图10所示。不同空气质量分数下，压力振荡峰值随过冷水温度的升高而逐渐增大，且空气质量分数较小时，峰值随过冷水温度增加的速率明显快。另外，在过冷水温度较低时，压力振荡峰值随空气质量分数的增加而缓慢增大，过冷水温度较高时，峰值随空气质量分数的增加而逐渐减小。过冷水温度上升过程中存在凝结形态变化的过渡区域[1-6]。

不凝结气体对汽液界面的波动有显著影响。当过冷水温度较低时，冷凝能力较强，蒸汽被迅速凝结，汽羽长度相对较小。少量不凝结气体会阻碍汽液界面传热传质，随空气质量分数的增加，传热传质能力逐渐下降，汽羽形状发生膨胀，界面波动频率增快、幅度增大。

图9 不同蒸汽质量流率下压力振荡峰值随空气质量分数的变化Fig.9 Pressure oscillation peak value variation with air mass fraction at different steam mass flow rates

图10 不同过冷水温度下压力振荡峰值随空气质量分数的变化Fig.10 Pressure oscillation peak value variation with air mass fraction at different subcooled water temperatures

当过冷水温度较高时，其冷凝能力下降，蒸汽不能及时被冷凝，汽羽的长度增加，在流场中的影响范围增大。随空气质量分数的增加，汽液界面变得非常不稳定，波动愈加剧烈。汽羽边界形成不凝结气体层，大量蒸汽被不凝结气体流携带向下游，使得核心汽羽增长，且其携带动量逐渐减弱。汽羽边界受到水的阻力影响流速减慢，换热时间及换热面积的稍许增加即可使蒸汽得到有效换热。汽羽边界间歇性脱离无数明显的微小气泡，脱离、破裂的速率也明显减缓，界面波动频率减慢、强度减弱。

2) 不凝结气体对压力振荡峰值位置的影响

通过分析压力振荡峰值位置随空气质量分数的分布，得到蒸汽质量流率为600 kg/(m2·s)、过冷水温度为50 ℃、空气质量分数由0%增加到5%时，压力振荡峰值位置由轴向无量纲距离X=5增大到X=10，即压力振荡峰值的位置随空气质量分数的增加逐渐沿轴向后移。通过同样方法，在本实验所有工况参数下统计得到，压力振荡峰值位置的变化范围为X=3～12。

少量不凝结气体的存在使汽羽外形成不凝结气体层，严重恶化凝结换热效果。随空气质量分数的增加，蒸汽凝结换热热阻增加，汽羽不能及时被凝结，使得汽羽穿透长度增加，故压力振荡峰值位置逐渐沿轴向后移。

3) 峰值位置与穿透长度的关系

含少量不凝结气体的蒸汽浸没射流压力振荡强度与汽羽凝结形态有密切的内在联系，为此对压力振荡峰值位置与汽羽穿透长度的关系进行了研究。不同空气质量分数下，压力振荡强度轴向分布和相同工况下汽羽凝结形态的对比如图11所示。

蒸汽中含有少量不凝结气体时，压力振荡的峰值位置恰好位于核心汽羽无量纲穿透长度最大的位置，即压力振荡最强的位置位于核心汽羽尾部，且具有良好的一致性。

不凝结气体和过冷水阻力的存在使得汽羽尾部蒸汽流动速度下降，汽羽尾部为核心汽羽流速最低处，蒸汽在汽羽尾部的汽液界面处快速被凝结，此处存在剧烈的质量和热量的传递。在蒸汽携带动量和过冷水冷凝的作用下，汽羽尾部汽泡的脱离、溃灭导致汽羽穿透长度发生连续的周期性变化，汽羽尾部汽液界面在某个位置波动。汽羽尾部的波动产生剧烈的压力振荡，核心汽羽尾部即为压力振荡峰值的位置。

图11 压力振荡峰值位置和汽羽形状的对比Fig.11 Comparison of pressure oscillation peak position and steam shape

3 结论

通过实验研究了不凝结气体对蒸汽浸没射流凝结形态和振荡强度的影响，得到以下主要结论。

1) 含有少量不凝结气体时，蒸汽浸没射流凝结形态发生显著变化。随空气质量分数的增加，核心汽羽形状发生膨胀，汽液界面变得非常不稳定，波动愈加剧烈。汽羽长度增加且尾部两相区形状变得发散，脱离无数明显的微小气泡。

2) 含不凝结气体的压力振荡强度较纯蒸汽时明显变小，但含有少量不凝结气体的压力振荡强度随空气质量分数的增加整体呈缓慢上升趋势。压力振荡强度随轴向距离的增加先增大后逐渐减小，存在压力振荡峰值。随空气质量分数的增加，峰值位置沿轴向后移。压力振荡强度随径向距离的增加而单调减小。

3) 过冷水温度较低时，压力振荡峰值随空气质量分数的增加而缓慢增大；过冷水温度较高时，规律恰好相反，且中间存在过渡区域。峰值位置在轴向无量纲距离X=3和X=12之间。含少量不凝结气体的蒸汽浸没射流压力振荡，其峰值的位置恰好位于核心汽羽无量纲穿透长度最大的位置，即压力振荡最强的位置位于核心汽羽尾部，且具有良好的一致性。