氣泡微細化沸騰的沸騰現(xiàn)象與沸騰音特性

朱光昱 孫立成 唐繼國

（哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室 哈爾濱 150001）

氣泡微細化沸騰的沸騰現(xiàn)象與沸騰音特性

朱光昱 孫立成 唐繼國

（哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室 哈爾濱 150001）

發(fā)生在過渡沸騰區(qū)的微細化沸騰(MEB)以其極高的換熱能力日益受到學(xué)者們的關(guān)注。本文通過傅里葉變換得到了MEB沸騰音的幅度譜，結(jié)合MEB實驗中獲得的壁溫和相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)，對幅度譜進行了分析。結(jié)果表明：通過幅度譜上的特征，可以判別加熱面上的沸騰模式。在核態(tài)沸騰階段，沸騰現(xiàn)象較微弱，幅度譜波動不明顯。在MEB發(fā)展階段，加熱面上存在兩類沸騰現(xiàn)象，幅度譜以多峰譜為主要特征。當MEB現(xiàn)象顯著發(fā)生時，幅度譜300–400 Hz范圍內(nèi)會出現(xiàn)一個MEB特征譜峰。該譜峰的形成與氣膜生成和破裂周期存在一定關(guān)系，過冷度對氣膜變化的周期并沒有影響。

氣泡微細化沸騰(Micro-bubble emission boiling, MEB)，傅里葉變換，幅度譜，氣膜

氣泡微細化沸騰(Micro-bubble emission boiling, MEB)是一種特殊的過冷沸騰現(xiàn)象。當MEB發(fā)生時，加熱面上一旦形成聚合氣泡，就會迅速破碎成大量微米級的氣泡，同時伴隨著非常獨特的沸騰音，其熱負荷可達一般核態(tài)沸騰臨界熱負荷(CHF)的幾倍到幾十倍之多。Suzuki等[1]和Inada等[2]的MEB實驗的最高熱流密度均達到約10 MW·m-2。目前很多新技術(shù)的發(fā)展都受到了散熱極限的限制。例如，核能方面，國際熱核聚變實驗堆(ITER)濾偏器承受的最大熱負載已經(jīng)達到30 MW·m-2；當?shù)入x子體破滅時，托卡馬克第一壁上的局部功率甚至達到500kW·m-2，因此可能引起壁面材料的熔化，這是聚變堆設(shè)計中急需解決的問題之一。這些高熱負荷區(qū)域都需要采用非常高效的冷卻方式，而氣泡微細化沸騰在這方面具有極大的應(yīng)用前景和技術(shù)優(yōu)勢。

近幾年，為研究MEB的發(fā)生機理，部分學(xué)者[3-4]對MEB的沸騰音特性進行研究。Tange等[3]采用直徑300 μm、長30 mm的鉑絲作為加熱部元件，進行了過冷池沸騰實驗，采集了0–40 K過冷度范圍內(nèi)的沸騰音。他們的分析結(jié)果表明，在核態(tài)沸騰階段，沸騰音幅度譜以雙峰譜為主要特征。當過冷度上升到20 K，MEB現(xiàn)象顯著發(fā)生，第一譜峰的幅值降低，第二譜峰的幅值則明顯升高，并且由700 Hz附近移動到1 000 Hz附近。更重要的是，在沸騰音幅度譜2 700 Hz附近又會出現(xiàn)一個新的MEB特征譜峰。當過冷度達到40 K時，第二譜峰消失，而MEB特征譜峰的幅值大幅升高。Kubo等[4]以一塊水平平板為加熱面，采集并分析了20–80 K過冷度及流速0.5–1.0 m·s-1內(nèi)流動沸騰的沸騰音，實驗結(jié)果表明，當MEB發(fā)生時，頻率在100–1 000 Hz的聲壓會顯著上升。

在結(jié)合可視化圖像資料的基礎(chǔ)上，對兩種過冷度下的沸騰音時間序列進行幅度譜分析，研究了MEB沸騰現(xiàn)象與沸騰音的相互聯(lián)系。

1 實驗裝置

如圖1所示，MEB實驗裝置主要包括加熱元件、水箱、功率控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圓錐形的加熱元件由絕緣彈性底座吊裝在水箱下部，由4個可獨立進行功率調(diào)節(jié)的硅碳棒加熱。加熱元件上部是直徑和高均為10 mm的導(dǎo)熱柱體，周圍被陶瓷環(huán)繞以減少散熱。導(dǎo)熱柱體中軸上裝有3個直徑1 mm的T分度銅康銅鎧裝熱電偶，距離加熱面分別為3mm、5.75 mm和8 mm，并依次間隔30°，以減少熱電偶對銅芯導(dǎo)熱的影響。水箱由不銹鋼制成，其長寬高分別為200 mm、200 mm和300 mm，其中三個壁面裝有視窗，滿足可視化要求。視窗外布置有高速攝影儀(Photron Fastcam SA5)，可以在500–10000 幀·s-1范圍內(nèi)較清晰地拍攝氣泡行為。水聽器(RHS-20)置于加熱面正上方100 mm處，采樣率為51 200 Hz。水溫由加熱面上方5 mm處的熱電偶測量。水箱內(nèi)裝有一個電加熱器和一個冷卻器，共同維持水溫，控制過冷度。實驗壓力為常壓。所有溫度及沸騰音數(shù)據(jù)均由NI系統(tǒng)采集。

圖1 過冷池沸騰實驗裝置Fig.1 Experimental setup for subcooled pool boiling.

2 實驗結(jié)果和分析

過冷沸騰音的頻率集中在人耳聽覺范圍內(nèi)，而實測的音頻信號時間序列中往往包含大量低頻噪聲信號。采用Butterworth高通數(shù)字濾波方法去除沸騰音中10 Hz以下的低頻噪聲信號，并將新得到的時間序列作為分析對象，進行非線性FFT (Fast Fourier Transform)變換處理。

實驗中觀察到，隨著熱流密度增加，加熱面上沸騰過程依次經(jīng)歷核態(tài)沸騰、MEB發(fā)展階段以及穩(wěn)定的MEB沸騰階段。圖2為50 K過冷度下核態(tài)沸騰階段的幅度譜(a)和MEB剛發(fā)生時的沸騰音幅度譜(b)。從圖2可以看出，幅度譜的波動很小，這是因為加熱面上持續(xù)地產(chǎn)生的蒸汽泡，在脫離后會在過冷液體中逐漸冷凝，這種過程連續(xù)而平穩(wěn)，因而其沸騰音的幅度譜波動較小。與核態(tài)沸騰相比，其幅度譜的波動變得十分劇烈，并且出現(xiàn)多個譜峰。

圖2 50 K過冷度下熱流密度為1.4 MW·m-2 (a)和4.6 MW·m-2 (b)時的幅度譜Fig.2 Amplitude spectra of boiling sound at liquid subcooling of 50 K with q=1.4 MW·m-2 (a) and 4.6 MW·m-2 (b).

在兩種過冷度條件下，MEB發(fā)生時，300–400 Hz內(nèi)形成一個幅度譜主峰，從圖3中可以看出這一特征，而其它譜峰的幅值則很低，表明沸騰向單一模式過渡。這在視頻數(shù)據(jù)中亦可得到確認。

圖3 50 K過冷度下熱流密度為4.8 MW·m-2時(a)和35 K過冷度下熱流密度為4.5 MW·m-2時(b)的幅度譜Fig.3 Amplitude spectrum of boiling sound at liquid subcooling of 50 K with q=4.8 MW·m-2 (a) and 35 K with q=4.5 MW·m-2 (b).

在MEB發(fā)展階段，存在兩類沸騰現(xiàn)象。第一類如圖4(a)和5(a)所示，加熱面上生成一層不穩(wěn)定的氣膜，氣膜周期性地膨脹收縮，同時伴有微米級的小氣泡發(fā)射，頻率為300–400 Hz?？梢酝茢噙@一類沸騰現(xiàn)象是產(chǎn)生幅度譜上MEB特征主峰的原因。另一類沸騰現(xiàn)象如圖4(b)和5(b)所示，氣膜在完成膨脹過程后，會在相對較長的一段時間內(nèi)維持其形態(tài)幾乎不變，隨后發(fā)生破碎或逐漸冷凝。隨著熱流密度的升高，后者會逐漸消失，前者則始終存在。

圖4 50 K過冷度下熱流密度為4.6 MW·m-2時MEB第一類(a)和第二類(b)沸騰現(xiàn)象Fig.4 First type (a) and second type (b) boiling phenomenon of MEB at liquid subcooling of 50 K with q=4.6 MW·m-2.

圖6為穩(wěn)定的MEB沸騰階段的沸騰現(xiàn)象。在高熱流密度下，氣膜通常會向加熱面的邊緣方向產(chǎn)生更劇烈的膨脹，膨脹的部分破裂后產(chǎn)生巨大沖擊，甚至會導(dǎo)致加熱面直接與過冷液體接觸。圖7為 50K和35 K過冷度下MEB穩(wěn)定階段的幅度譜，MEB特征主峰的頻率并沒有變化，只是幅值有所增加，說明在MEB穩(wěn)定階段氣膜膨脹-收縮頻率并沒有明顯改變，只是變化更加劇烈。

圖6 50 K過冷度下熱流密度為5.7 MW·m-2時(a)和40 K過冷度下熱流密度為6.3 MW·m-2時(b)的MEB沸騰現(xiàn)象Fig.6 Boiling phenomenon of MEB at liquid subcooling of 50 K with q=5.7 MW·m-2 (a) and 40 K with q=6.3 MW·m-2 (b).

圖7 50 K過冷度下熱流密度為5.7 MW·m-2時(a)和35 K過冷度下熱流密度為6.3 MW·m-2時(b)的幅度譜Fig.7 Amplitude spectrum of boiling sound at liquid subcooling of 50 K with q=5.7 MW·m-2 (a) and 35 K with q=6.3 MW·m-2 (b).

3 結(jié)語

研究了10 mm直徑加熱面上的過冷沸騰時行為特征和沸騰音特征。結(jié)果表明，不同的沸騰模式對沸騰音的幅度譜存在明顯影響。在MEB發(fā)展階段和穩(wěn)定階段，幅度譜在300–400 Hz范圍會出現(xiàn)一個MEB特征譜峰，加熱面上氣膜生成和破裂頻率是產(chǎn)生該譜峰的原因。隨著熱流密度增加，加熱面上的氣膜破裂過程變得更加劇烈，特征譜峰的幅值也逐漸升高。

1 Suzuki K, Inagaki F, Hong C. Subcooled boiling in the ultrasonic field: on the cause of microbubble emission boiling[J]. Heat Transfer Engineering, 2011, 32(7–8): 673–682

2 Inada S, Miyasaka Y, Izumi R, et al. Study on subcooled pool boiling: the 1streport, effect of liquid subcooling on local heat transfer characteristics[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 1981, 47(417): 952–960

3 Tange M, Takagi S, Watanabe M, et al. Microbubble emission boiling in a microchannel and minichannel[J]. Thermal Science Engineer, 2004, 12: 23–29

4 Kubo R, Shimada R, Kumagai S. Relationship between sound and heat transfer on microbubble emission boiling[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 1993, 59(557): 183–190

CLCTL334

Characteristics of phenomenon and sound in microbubble emission boiling

ZHU Guangyu SUN Licheng TANG Jiguo
(Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Background: Nowadays, the efficient heat transfer technology is required in nuclear energy. Therefore, micro-bubble emission boiling (MEB) is getting more attentions from many researchers due to its extremely high heat-transfer dissipation capability. Purpose: An experimental setup was built up to study the correspondences between the characteristics on the amplitude spectrum of boiling sound in different boiling modes. Methods: The heat element was a copper block heated by four Si-C heaters. The upper of the copper block was a cylinder with the diameter of 10 mm and height of 10 mm. Temperature data were measured by three T-type sheathed thermocouples fitted on the upper of the copper block and recorded by NI acquisition system. The temperature of the heating surface was estimated by extrapolating the temperature distribution. Boiling sound data were acquired by hydrophone and processed by Fourier transform. Bubble behaviors were captured by high-speed video camera with light system. Results: In nucleate boiling region, the boiling was not intensive and as a result, the spectra didn’t present any peak. While the MEB fully developed on the heating surface, an obvious peak came into being around the frequency of 300 Hz. This could be explained by analyzing the video data. The periodic expansion and collapse into many extremely small bubbles of the vapor film lead to MEB presenting an obvious characteristic peak in its amplitude spectrum. Conclusion: The boiling mode can be distinguished by its amplitude spectrum. When the MEB fully developed, it presented a characteristic peak in its amplitude spectrum around the frequency between 300–400 Hz. This proved that boiling sound of MEB has a close relation with the behavior of vapor film.

Micro-bubble emission boiling, Fourier transform, Amplitudes spectrum, Vapor film

TL334

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.020203

國家自然科學(xué)基金(51376052)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(HEUCFZ1122)、教育部回國基金資助

朱光昱，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)為在讀碩士研究生

孫立成，E-mail: leechengsun@sohu.com

2013-08-19，

2013-09-23