搖擺條件下窄通道內(nèi)單相水流態(tài)轉(zhuǎn)捩特性

閻昌琪，幸奠川，曹夏昕，謝清清，2

(1.哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001;2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都610041)

矩形窄縫流道因其換熱面積大，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，沸騰過(guò)熱度低等優(yōu)點(diǎn)在很多工程領(lǐng)域內(nèi)得到了實(shí)際應(yīng)用，如航空航天，熱能動(dòng)力設(shè)備，船舶動(dòng)力系統(tǒng)，大型集成電路冷卻等.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)穩(wěn)態(tài)窄矩形通道內(nèi)單相流動(dòng)特性展開(kāi)了大量研究［1-2］，但對(duì)非穩(wěn)態(tài)條件下矩形通道內(nèi)流動(dòng)特性的研究較少.

在非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力系統(tǒng)中，工質(zhì)流體流動(dòng)特性會(huì)發(fā)生改變.文獻(xiàn)［3-4］對(duì)搖擺條件下圓管內(nèi)單相水絕熱流動(dòng)特性做了一定的研究，但主要集中在湍流區(qū).幸奠川等對(duì)搖擺條件下矩形通道內(nèi)層流區(qū)和湍流區(qū)單相水絕熱流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但未對(duì)過(guò)渡區(qū)流態(tài)轉(zhuǎn)捩特性做細(xì)致分析［5-6］.過(guò)渡區(qū)局部流動(dòng)特性的輕微改變難以造成壓差等參數(shù)的明顯變化，因此，搖擺條件下窄通道內(nèi)單相水臨界點(diǎn)附近的流動(dòng)特性尚不明確.可視化流跡顯示方法因具有直觀可靠，成本低廉等特點(diǎn)而被研究者用以顯示流動(dòng)特性［7-8］.本文采用示蹤劑，直觀的揭示了搖擺對(duì)臨界點(diǎn)附近流動(dòng)特性的影響機(jī)理.

1 搖擺臺(tái)及實(shí)驗(yàn)回路簡(jiǎn)介

本文采用的搖擺臺(tái)與文獻(xiàn)［9］相同，搖擺臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為

式中:θ、ω和β分別為t時(shí)刻的角位移(逆時(shí)針為正)、角速度和角加速度;θm、T和f分別為搖擺振幅，搖擺周期和搖擺頻率(T=1/f).本實(shí)驗(yàn)搖擺工況組合為(按θm～T的表示方式):10°～8 s、10°～12 s、10°～16 s、15°～16 s、30°～16 s.

實(shí)驗(yàn)回路如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中用高位水箱提供壓頭以獲得穩(wěn)定的流量及恒定的壓頭.示蹤劑為紅墨水與酒精按1∶4的混合溶液，以保證和實(shí)驗(yàn)工質(zhì)密度接近(純凈水).流動(dòng)阻力特性實(shí)驗(yàn)采集的參數(shù)包括實(shí)驗(yàn)段流量、水溫及測(cè)壓孔間壓降.可視化流跡顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)，待流動(dòng)穩(wěn)定后記錄實(shí)驗(yàn)參數(shù)，采用尼康D200單反相機(jī)拍攝照片.流量和壓降信號(hào)通過(guò)NI SCXI-1338模塊與計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集;溫度采用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)在實(shí)驗(yàn)段出口取樣測(cè)量，誤差為±0.1℃.壓差變送器(CECCS43:0～10 kPa)精度為0.2級(jí).流量計(jì)(Promass 83:0～4 000 kg/h)測(cè)量精度為±0.1%.實(shí)驗(yàn)件為光滑的有機(jī)玻璃矩形通道(2 mm ×40 mm×2 000 mm)，其中2個(gè)測(cè)壓孔間距1 600 mm，下測(cè)壓孔距入口200 mm，示蹤劑注入孔距入口800 mm.Re變化范圍為200～21 000，但重點(diǎn)集中在2 000～3 500.

圖1 實(shí)驗(yàn)回路示意Fig.1 Schematic diagram of experimental loop

2 阻力特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)定豎直狀態(tài)下，臨界Re大約在2 550左右，見(jiàn)圖2.搖擺條件下平均摩阻系數(shù)曲線轉(zhuǎn)折臨界點(diǎn)隨搖擺工況的不同而變化.平均摩阻系數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨搖擺周期的變化不明顯，隨搖擺振幅的增加而有所提前.當(dāng)Re小于2 400(穩(wěn)定的層流區(qū))或者大于3 500(湍流區(qū))時(shí)，搖擺對(duì)平均摩阻特性沒(méi)有明顯影響.Re介于2 400～3 500的過(guò)渡區(qū)時(shí)，不同搖擺工況下平均摩阻系數(shù)存在微小差別，但總體上變化不大，為進(jìn)一步確定搖擺對(duì)臨界點(diǎn)附近流動(dòng)特性的影響，還需進(jìn)行可視化流跡顯示實(shí)驗(yàn).

圖2 搖擺條件下平均摩阻系數(shù)Fig.2 Mean friction coefficient under rolling condition

3 可視化研究結(jié)果及分析

3.1 可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)定豎直狀態(tài)下典型流態(tài)對(duì)應(yīng)的示蹤劑如圖3所示.當(dāng)Re小于2 550時(shí)，示蹤劑為一條清晰的沿流動(dòng)方向的細(xì)直線，不與周?chē)鲗影l(fā)生水動(dòng)力學(xué)攪渾，如圖3(a)，此時(shí)通道內(nèi)為典型的穩(wěn)定層流.當(dāng)Re大于3 500時(shí)，示蹤劑迅速向四周均勻擴(kuò)散，水流被均勻染色，此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生劇烈的橫向攪渾，動(dòng)量和能量傳遞使得染色劑迅速與周?chē)黧w混合，通道內(nèi)為典型的湍流，如圖3(c).由前文摩阻實(shí)驗(yàn)可知，穩(wěn)態(tài)條件下臨界Re大約在2 550左右.從Re為2 550開(kāi)始，逐漸增加流量，到相應(yīng)的Re為2 563時(shí)，示蹤劑在不確定的位置隨機(jī)出現(xiàn)小波動(dòng)，但波動(dòng)極為不穩(wěn)定，迅速回到直線狀態(tài)，表明層流流動(dòng)已經(jīng)失穩(wěn)，難以維持原狀，然而穩(wěn)定的湍流狀態(tài)尚未形成，判定此時(shí)為過(guò)渡流起始狀態(tài)，如圖3(b).

在圖3(b)所示的狀態(tài)下，啟動(dòng)搖擺臺(tái)，在其運(yùn)動(dòng)的正向最大角度，負(fù)向最大角度和平衡位置3個(gè)特征位置處拍攝示蹤劑的流動(dòng)特征.10°～16 s搖擺工況下的示蹤劑形狀如圖4所示.顯然在正向最大搖擺角位置處通道內(nèi)為典型的層流，流態(tài)轉(zhuǎn)捩受到抑制;平衡位置處和豎直穩(wěn)態(tài)相似，搖擺對(duì)其影響不明顯;在負(fù)向最大搖擺角位置處示蹤劑跡線波動(dòng)相對(duì)于穩(wěn)定豎直狀態(tài)有所加強(qiáng)，此處轉(zhuǎn)捩受到促進(jìn).實(shí)驗(yàn)觀察到搖擺工況為10°～8 s和10°～12 s時(shí)的示蹤劑流動(dòng)特征與圖4相同，說(shuō)明在一定幅度內(nèi)改變搖擺周期對(duì)窄通道內(nèi)單相水流態(tài)轉(zhuǎn)捩沒(méi)有明顯影響.

圖3 非搖擺狀態(tài)下流型Fig.3 Flow regimes under non-rolling condition

圖4 搖擺狀態(tài)下流跡(10°～16 s，Re=2 563)Fig.4 Flow regimes in rolling condition(10°～16 s，Re=2 563)

搖擺周期為16 s，最大搖擺角度為10°，15°和30°時(shí)，正向最大搖擺角度位置處示蹤劑流動(dòng)特征始終如圖3(a)所示的細(xì)直線，對(duì)應(yīng)的流態(tài)為層流.負(fù)向最大搖擺角位置處示蹤劑隨搖擺振幅的變化見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)，負(fù)向最大角度位置處示蹤劑橫向擴(kuò)散隨著搖擺振幅的增加而加劇.搖擺振幅10°時(shí)擾動(dòng)發(fā)生后迅速消失，示蹤劑恢復(fù)為細(xì)直線;搖擺振幅15°時(shí)，擾動(dòng)在拍攝區(qū)內(nèi)不能消失，但橫向擴(kuò)散不均勻，未形成圖3(c)所示的湍流;搖擺振幅30°時(shí)，橫向擴(kuò)散已比較均勻，湍流形成.搖擺振幅越大，對(duì)負(fù)向最大搖擺角度位置處的流態(tài)轉(zhuǎn)捩促進(jìn)作用越強(qiáng).

較小的搖擺振幅對(duì)平衡位置處示蹤劑沒(méi)有明顯影響，示蹤劑流跡與圖3(b)十分相似.搖擺振幅30°時(shí)，平衡位置處示蹤劑橫向波動(dòng)比穩(wěn)定狀態(tài)下劇烈，搖擺促進(jìn)此處轉(zhuǎn)捩發(fā)生，見(jiàn)圖6.

圖5 負(fù)向最大搖擺角位置處流跡(T=16 s，Re=2 563)Fig.5 Flow regimes at the positions of negative maximal rolling angle(T=16 s，Re=2 563)

圖6 平衡位置處流跡(30°～16 s，Re=2 563)Fig.6 Flow regimes at the balance positions(30°～16 s，Re=2 563)

3.2 搖擺對(duì)流態(tài)轉(zhuǎn)折影響的機(jī)理解釋

文獻(xiàn)［10］給出了搖擺條件下附加壓降的積分關(guān)系式:

式中:下標(biāo)1和2分別表示積分的起點(diǎn)和終點(diǎn).對(duì)本實(shí)驗(yàn)回路(見(jiàn)圖1)，僅AB和BE兩段內(nèi)附加慣性力沿流動(dòng)方向分量不為零.因此，搖擺條件下回路總的附加壓降為

整個(gè)回路運(yùn)動(dòng)部分(AB段與BE段)重位壓降為

結(jié)合圖1所示實(shí)驗(yàn)回路尺寸，搖擺條件下回路運(yùn)動(dòng)部分附加壓降及重位壓降見(jiàn)圖7.

圖7 搖擺條件下回路總附加壓降和重位壓降Fig.7 The total additional and gravity pressure drop under rolling condition

由圖7及式(5)可見(jiàn)，搖擺條件下回路總的附加壓降和重位壓降的波動(dòng)周期等于搖擺周期.搖擺臺(tái)處于正向最大角度時(shí)(A點(diǎn))，附加壓降及重位壓降均處于最大值(30°時(shí)接近最大值)，附加壓降為正，驅(qū)動(dòng)流動(dòng).相對(duì)于穩(wěn)定豎直狀態(tài)，重位壓降的增加值(10°時(shí)1 074 Pa;30°時(shí)532 Pa)大于附加壓降(10°時(shí)70 Pa;30°時(shí)209 Pa).回路驅(qū)動(dòng)壓頭恒定，摩擦壓降變化很小，此時(shí)回路總阻力增大導(dǎo)致流速減小，因此搖擺始終抑制正向最大角位置處流態(tài)轉(zhuǎn)捩.搖擺臺(tái)處于負(fù)向最大角位置時(shí)(C點(diǎn))，重位壓降處于最小值，附加壓降處于負(fù)向最大值，阻礙流動(dòng).相對(duì)于穩(wěn)定豎直狀態(tài)重位壓降減小量(10°時(shí)1 912 Pa;30°時(shí)8 076 Pa)遠(yuǎn)大于附加壓降的絕對(duì)值(10°時(shí)70 Pa;30°時(shí)209 Pa)，此時(shí)回路總阻力大大減小從而流速增加，搖擺促進(jìn)此處流動(dòng)轉(zhuǎn)捩.搖擺振幅越大，相對(duì)于豎直穩(wěn)態(tài)負(fù)向最大搖擺角位置處回路總阻力越小，搖擺對(duì)流態(tài)轉(zhuǎn)捩的促進(jìn)作用越強(qiáng).搖擺臺(tái)位于平衡位置時(shí)(B和D點(diǎn))重位壓降和豎直穩(wěn)態(tài)相同，附加壓降為正，驅(qū)動(dòng)流動(dòng).搖擺振幅10°和15°時(shí)附加壓降分別為22.4 Pa和50.1 Pa，對(duì)流動(dòng)影響不明顯;振幅為30°時(shí)，附加壓降為196 Pa，驅(qū)動(dòng)作用已經(jīng)比較明顯，因此相應(yīng)的示蹤劑橫向擴(kuò)散比穩(wěn)態(tài)劇烈.

搖擺臺(tái)從正負(fù)兩個(gè)方向經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)(B或D)附加壓降和重位壓降相同，因此搖擺方向?qū)ζ胶馕恢锰庌D(zhuǎn)捩特性沒(méi)有影響.改變搖擺周期僅僅相當(dāng)于將圖7中各曲線沿時(shí)間軸拉伸或者壓縮，對(duì)附加壓降幅值的影響很小，因此改變搖擺周期對(duì)流態(tài)轉(zhuǎn)捩沒(méi)有明顯影響.

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明穩(wěn)定狀態(tài)下本實(shí)驗(yàn)段臨界Re大約為2 550.Re小于2 400或大于3 500時(shí)，搖擺對(duì)矩形窄通道內(nèi)單相水流態(tài)沒(méi)有明顯影響，但搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)臨界點(diǎn)附近流動(dòng)特性有一定的影響.

2)搖擺運(yùn)動(dòng)始終抑制正向最大搖擺角位置處的流動(dòng)，促進(jìn)負(fù)向最大搖擺角度位置處的流動(dòng)，搖擺振幅較小時(shí)對(duì)平衡位置處流動(dòng)的促進(jìn)作用不明顯.

3)負(fù)向最大擺角位置處增加搖擺振幅可促進(jìn)流態(tài)轉(zhuǎn)捩，搖擺周期在一定范圍內(nèi)對(duì)流態(tài)轉(zhuǎn)捩沒(méi)有明顯影響.

4)搖擺對(duì)流態(tài)轉(zhuǎn)捩的影響主要是通過(guò)改變整個(gè)回路有效重位壓降及造成整個(gè)回路附加壓降體現(xiàn)出來(lái)的，前者為主要影響因素.

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