搖擺條件下矩形窄縫通道內(nèi)汽泡脫離直徑實驗研究

謝添舟，陳炳德，閆 曉，徐建軍，黃彥平，肖澤軍

(中國核動力研究設(shè)計院 中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610041)

由于矩形窄縫通道具有強(qiáng)化換熱特性[1]，近年來在工程技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。在沸騰傳熱機(jī)理模型中，汽泡脫離直徑及預(yù)測模型作為非常重要的參數(shù)，得到越來越多學(xué)者的關(guān)注[2-3]。當(dāng)矩形窄縫通道整體運(yùn)行于海洋條件時，會存在典型搖擺運(yùn)動，此時，由于非勻速運(yùn)動產(chǎn)生的附加外力場的影響，通道內(nèi)的沸騰傳熱特性會發(fā)生顯著改變[4]，但搖擺運(yùn)動下傳熱特性機(jī)理研究鮮有報道。因此，開展搖擺運(yùn)動條件下汽泡脫離直徑的研究，對揭示搖擺條件下沸騰傳熱機(jī)理有重要作用。

目前國內(nèi)外已有不少關(guān)于過冷沸騰汽泡脫離直徑的研究，但大部分都是在靜止條件下開展的，對搖擺運(yùn)動影響的研究主要集中在壓降[5]、傳熱系數(shù)[6]、流型[7]等方面，針對汽泡脫離直徑的研究較少。本工作采用可視化方法，對搖擺條件下矩形窄縫通道內(nèi)汽泡脫離行為進(jìn)行拍攝，探明搖擺運(yùn)動對汽泡脫離直徑的影響，為搖擺條件下汽泡脫離直徑預(yù)測模型構(gòu)建等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗裝置和數(shù)據(jù)處理

1.1 實驗裝置

實驗回路系統(tǒng)如圖1所示，主要由往復(fù)泵、預(yù)熱器、實驗段、換熱器、相關(guān)閥門及測量儀表組成。輔助系統(tǒng)包括二次側(cè)冷卻水系統(tǒng)、實驗段直流電加熱系統(tǒng)、預(yù)熱器交流電加熱系統(tǒng)及工質(zhì)補(bǔ)給系統(tǒng)。實驗段及部分裝置安放在六自由度運(yùn)動臺上，運(yùn)動臺以某一搖擺振幅和頻率擺動，搖擺運(yùn)動按近似正弦規(guī)律變化，即：

θ(t)=θmsin(2πft)

(1)

(2)

(3)

式中：θ(t)為瞬時搖擺角位移；θm為最大搖擺角；ω為角速度；ε為角加速度；f為搖擺頻率；t為時間。

1.2 實驗本體

實驗本體為2.0 mm×40 mm×700 mm的可視化矩形窄縫通道。有效加熱段長度為530 mm，實驗段主要由承壓塊、石英玻璃、壓緊塊和密封結(jié)構(gòu)等組成，如圖2所示。實驗段一側(cè)由石英玻璃和壓緊塊組成，在壓緊塊上開可視化窗口，另一側(cè)由電加熱組件和承壓塊等組成。矩形窄縫通道在石英玻璃中加工而成。

圖2 實驗本體截面圖

1.3 搖擺條件下可視化系統(tǒng)

實驗采用Phantom V9.0彩色高速攝像儀可視化觀察，鏡頭倍率1∶1.4，拍攝幀數(shù)2 000幀，有效像素576×576。拍攝過程中，采用先整體后局部的方法來拍攝，即先將微距鏡頭倍率調(diào)大，在較大范圍內(nèi)觀察加熱面上是否出現(xiàn)汽泡核化現(xiàn)象，出現(xiàn)汽泡核化現(xiàn)象后確定核化點(diǎn)位置，再將微距倍率調(diào)整到合適的數(shù)值，使汽泡清晰且較大，以便于測量。

搖擺條件下，為解決高速攝像儀與六自由度運(yùn)動臺的相對固定、高速攝像儀與實驗本體相對位置的精確調(diào)節(jié)，設(shè)計了1套高速攝像儀的固定裝置，如圖3所示。該裝置主要由固定支架、導(dǎo)軌系統(tǒng)、高速攝像儀固定系統(tǒng)組成。其中，固定支架通過8個螺栓與六自由度運(yùn)動臺緊密固定，導(dǎo)軌可在二維方向上(實驗本體的前部方向和高度方向)移動，以實現(xiàn)高速攝像儀寬范圍、多方位移動。同時，導(dǎo)軌移動到指定位置后可鎖住。該裝置在搖擺運(yùn)動條件下具有良好的穩(wěn)定性。

圖3 搖擺條件下的可視化系統(tǒng)

1.4 實驗方法和工況

實驗時調(diào)節(jié)實驗本體下游的調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)壓力在0.15 MPa左右，此時所有搖擺工況下的流量波動均在±1%以內(nèi)。然后將質(zhì)量流速調(diào)至預(yù)定工況，通過調(diào)節(jié)預(yù)熱器功率達(dá)到一定入口溫度，再改變本體熱流密度以得到穩(wěn)定的核化點(diǎn)。待熱工工況穩(wěn)定后，啟動六自由度運(yùn)動臺至預(yù)定搖擺工況，穩(wěn)定后對核化點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)拍攝，重復(fù)上述過程以研究不同質(zhì)量流速下?lián)u擺運(yùn)動對汽泡脫離直徑的影響。

由于質(zhì)量流速會顯著影響汽泡脫離直徑[2]，因此本工作中僅研究不同質(zhì)量流速下?lián)u擺運(yùn)動的影響。熱工工況列于表1。其中，p為系統(tǒng)壓力，Δtsub為入口過冷度，G為工質(zhì)質(zhì)量流速，zd為加熱段起始點(diǎn)與核化點(diǎn)之間的距離。熱工參數(shù)穩(wěn)定后，相應(yīng)的搖擺運(yùn)動參數(shù)列于表2。

表1 熱工工況

1.5 數(shù)據(jù)處理

如何通過汽泡圖像數(shù)據(jù)獲得定量的汽泡尺寸，是可視化實驗研究中所面臨的難題之一。本工作的處理方法如下。

在高速攝像儀拍攝完1個工況后，保持高速攝像儀鏡頭的放大倍率不變，然后拍攝標(biāo)尺，得到標(biāo)尺的清晰圖像，如圖4所示。

表2 搖擺運(yùn)動參數(shù)

圖4 汽泡(a)和標(biāo)尺圖像(b)

將圖4b中的標(biāo)尺圖像讀入Phantom Camera Control軟件，利用軟件中的測量功能，將拍攝圖片的有效像素與真實物理尺寸相對應(yīng)，再將拍攝得到的真實汽泡(圖4a)導(dǎo)入后處理軟件，即可得到汽泡在x和y軸方向的直徑Dx和Dy。假定汽泡的兩個短軸軸長相等，則可按照等效體積法計算出汽泡的等效直徑D[8]為：

(4)

2 實驗結(jié)果及分析

圖5示出搖擺條件下典型汽泡生長及脫離的圖像。從圖5可看到汽泡從生長到脫離的整個過程，標(biāo)記著“脫離”的圖片為汽泡即將脫離核化點(diǎn)的時刻，該時刻的汽泡直徑為汽泡脫離直徑。通過圖像后處理可獲得汽泡在各時刻的直徑，進(jìn)而得到汽泡生長曲線。在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)，汽泡脫離后均沿著壁面滑移，沒有立刻浮升脫離壁面的汽泡。汽泡脫離的判定方法為：以初始汽泡中心為原點(diǎn)，當(dāng)汽泡中心開始不斷遠(yuǎn)離原點(diǎn)時，汽泡中心剛開始脫離原點(diǎn)的一幀為汽泡脫離時刻。依據(jù)上述準(zhǔn)則，本次實驗共獲取有效數(shù)據(jù)點(diǎn)54個。

p=0.15 MPa，Δtsub=40 ℃，G=300 kg/(m2·s)，熱流密度q=85 kW/m2，搖擺工況為R3

2.1 搖擺運(yùn)動對汽泡生長的影響

圖6示出不同流量時搖擺運(yùn)動對同一周期內(nèi)汽泡生長和脫離的影響。從圖6可看出，在汽泡生長至脫離整個過程中，隨著時間的增長，氣泡直徑逐漸增大，且在初始階段，汽泡生長速率較快，但由于搖擺運(yùn)動引起的局部流場波動，汽泡生長過程會變得不穩(wěn)定，這種情況在G=300 kg/(m2·s)時更為明顯，如圖6a所示。對比圖6a和b可發(fā)現(xiàn)：G=300 kg/(m2·s)時，汽泡生長時間為1 000～2 500 ms，汽泡脫離直徑在0.14 mm左右；G=700 kg/(m2·s)時，汽泡生長時間為150～350 ms，汽泡脫離直徑在0.07 mm左右。這表明隨著質(zhì)量流速的增大，汽泡生長時間變短，汽泡脫離直徑變小，與文獻(xiàn)[2-3]中靜止時觀測到的結(jié)果一致。從圖6a可看出，G=300 kg/(m2·s)時，汽泡在同一個運(yùn)動周期不同時刻脫離，汽泡脫離直徑會發(fā)生明顯改變，但與脫離時刻角位移無明顯一一對應(yīng)關(guān)系。而如圖6b所示，G=700 kg/(m2·s)時，汽泡脫離直徑改變量要小得多。總地來說，質(zhì)量流速越小，搖擺運(yùn)動對汽泡生長速率和脫離直徑的影響越大。

a——G=300 kg/(m2·s)；b——G=700 kg/(m2·s)

2.2 搖擺運(yùn)動對汽泡脫離直徑的影響

為進(jìn)一步研究搖擺角位移對汽泡脫離直徑的影響，給出不同質(zhì)量流速下所有數(shù)據(jù)點(diǎn)中汽泡脫離直徑與其脫離時刻對應(yīng)角位移的關(guān)系，結(jié)果示于圖7。如圖7所示：當(dāng)G=300 kg/(m2·s)時，汽泡脫離直徑平均值為0.144 mm，95%的數(shù)據(jù)在±20%范圍以內(nèi)；G=700 kg/(m2·s)時，汽泡脫離直徑平均值為0.071 mm，95%的數(shù)據(jù)在±10%范圍以內(nèi)。這表明搖擺運(yùn)動時汽泡脫離直徑會在一定范圍內(nèi)波動，且低質(zhì)量流速時這種波動尤為強(qiáng)烈。這可能是由于低質(zhì)量流速時汽泡脫離直徑較大，因此搖擺運(yùn)動產(chǎn)生的周期性的附加力幅值更大，同時局部流場波動的影響也更為劇烈，這兩方面的耦合作用使汽泡脫離直徑波動變大。通過對數(shù)據(jù)分段線性擬合可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)搖擺角度趨于0°時，汽泡脫離直徑有最小的趨勢，但質(zhì)量流速越大，這種趨勢越不明顯。這可能是由于搖擺角度趨于0°時，流動方向上的浮力分量最大，汽泡更易脫離，但質(zhì)量流速較大時，汽泡平均直徑變小，浮力所占比重也相應(yīng)變小，因此浮力變化對汽泡脫離直徑的影響會減弱。

a——G=300 kg/(m2·s)；b——G=700 kg/(m2·s)

3 結(jié)論

本工作借助高速攝像技術(shù)，通過在六自由度運(yùn)動臺上開展的過冷沸騰可視化實驗，研究了搖擺運(yùn)動對汽泡脫離直徑的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于搖擺運(yùn)動引起的局部流場波動，汽泡生長過程變得不穩(wěn)定，且汽泡脫離直徑在一定范圍內(nèi)波動，這種效應(yīng)會隨質(zhì)量流速的增大而減弱。線性擬合發(fā)現(xiàn)，搖擺角位移為0°時汽泡脫離直徑有最小的趨勢。

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