蒸汽浸沒(méi)射流冷凝特性實(shí)驗(yàn)研究

張 偉， 蔣朝飛， 葉亞楠， 王曉雁 龔自力， 胡 晨， 肖 瑤， 顧漢洋

(1. 上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所， 武漢 430064)

直接接觸冷凝過(guò)程通常伴隨著極快的能量與質(zhì)量交換，蒸汽浸沒(méi)射流被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)設(shè)備.在核能安全系統(tǒng)中，沸水堆抑壓水池[1]以及AP1000自動(dòng)降壓系統(tǒng)[2]均用浸沒(méi)射流方法，通過(guò)將高溫高壓蒸汽直接通入過(guò)冷水中來(lái)實(shí)現(xiàn)快速降溫降壓.因此，蒸汽浸沒(méi)射流對(duì)反應(yīng)堆的安全系統(tǒng)具有重要意義.

在不同來(lái)流蒸汽流率與冷凝水過(guò)冷度的影響下，直接接觸冷凝射流會(huì)呈現(xiàn)出不同的流型以及壓力波動(dòng)形式.為了更有效地研究浸沒(méi)射流在不同情況下的規(guī)律及其應(yīng)用情況，基于射流冷凝過(guò)程的汽羽形態(tài)變化及壓力頻譜特性劃分流型區(qū)域是研究人員的共識(shí)[3-5].但由于不同人員對(duì)射流過(guò)程的研究角度不同，如果考慮冷凝水是否流動(dòng)[6-7]、不凝性氣體含量[8-9]、射流管道結(jié)構(gòu)[10-12]以及射流孔數(shù)量[4, 13-14]等因素，直接接觸冷凝射流流型并沒(méi)有完全統(tǒng)一的描述.其次，即使在同樣的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)條件下，以單孔射流為例，在同樣的蒸汽流速與冷凝水過(guò)冷度區(qū)間內(nèi)，不同研究人員對(duì)流型的命名也有所差異[3, 15-16].以其中相對(duì)全面的，Cho等[16]的基于單孔直管射流繪制的相圖為例，直接接觸冷凝射流按壓力頻譜與汽羽變化可以劃分為6個(gè)區(qū)域：喘振(C)區(qū)、過(guò)渡(TC)區(qū)、冷凝振蕩(CO)區(qū)、穩(wěn)定冷凝(SC)區(qū)、泡狀冷凝振蕩(BCO)區(qū)以及界面振蕩冷凝(IOC)區(qū).

在流型確認(rèn)與相圖劃分方面，研究人員對(duì)相圖的劃分大多數(shù)基于蒸汽管外形態(tài)、壓力的時(shí)域頻域特性來(lái)劃分流型進(jìn)而確定相圖.就喘振區(qū)而言，Gregu 等[17]通過(guò)可視化透明管道以及在時(shí)間上同步的壓力信號(hào)與圖像信號(hào)，在極低的流率下按照其氣泡大小、是否可以包容管道等氣泡特征，對(duì)喘振區(qū)進(jìn)行更為詳細(xì)的相圖劃分.同時(shí)，還揭示了管內(nèi)不同高度處壓力信號(hào)的瞬時(shí)變化情況，表明在喘振區(qū)發(fā)生的凝結(jié)水錘(CIWH)現(xiàn)象[18]會(huì)帶來(lái)比實(shí)驗(yàn)時(shí)平均壓力強(qiáng)度高約1個(gè)數(shù)量級(jí)的壓力峰值.Zhao等[5]在相圖的文獻(xiàn)綜述中，對(duì)已有的大部分射流相圖進(jìn)行總結(jié)及對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究中無(wú)論是通過(guò)理論推導(dǎo)還是實(shí)驗(yàn)處理獲得的相間分界線(xiàn)，不同研究獲得的結(jié)果差異很大，認(rèn)為導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因一方面是基于蒸汽管外形態(tài)的判斷帶有主觀因素?zé)o法量化；另一方面則是由于孔徑的不同會(huì)帶來(lái)相圖邊界的移動(dòng).在同樣條件下，孔徑越大，冷凝振蕩區(qū)與穩(wěn)定冷凝區(qū)的分界線(xiàn)越向低流率方向移動(dòng)，而喘振區(qū)的邊界則是向高流率高水溫方向移動(dòng).

其次，對(duì)管外蒸汽形態(tài)的量化通常通過(guò)汽羽長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn).無(wú)論是對(duì)壓力波動(dòng)還是換熱能力等性質(zhì)的評(píng)估，蒸汽射流的汽羽長(zhǎng)度作為一個(gè)重要的參量，很大程度上影響著其他參數(shù)的準(zhǔn)確性.在計(jì)算模擬方面，汽羽長(zhǎng)度與形態(tài)也是研究直接接觸冷凝首先要考慮的問(wèn)題.汽羽是指當(dāng)蒸汽通過(guò)管口進(jìn)入水中在管外形成的類(lèi)似于火焰形狀的蒸汽區(qū)域.對(duì)一段時(shí)間內(nèi)獲得的汽羽圖像進(jìn)行時(shí)均處理后能獲得一個(gè)確定的汽羽形態(tài)，這一時(shí)均汽羽長(zhǎng)度就稱(chēng)之為汽羽長(zhǎng)度.Kerney等[19]在較寬的流率范圍內(nèi)進(jìn)行了汽羽長(zhǎng)度研究實(shí)驗(yàn).在合理假設(shè)下，通過(guò)理論推導(dǎo)最先基于蒸汽質(zhì)量流速與水池過(guò)冷度給出汽羽長(zhǎng)度在較高流率下的理論解.通過(guò)將射流過(guò)程中能量交換的影響歸于凝結(jié)勢(shì)，動(dòng)量交換的影響歸于流率大小，將凝結(jié)勢(shì)與無(wú)量綱流率作為汽羽長(zhǎng)度預(yù)測(cè)公式的主要變量，并按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正這兩個(gè)參數(shù)的冪次，擬合汽羽長(zhǎng)度的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.

蒸汽汽羽管外形態(tài)與壓力是直接相關(guān)的.Xu等[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究套管式蒸汽射流現(xiàn)象，從汽羽本身的變化、壓力頻率與強(qiáng)度變化角度研究了在流動(dòng)的過(guò)冷水中直接接觸冷凝呈現(xiàn)的現(xiàn)象，較為清晰地揭示了壓力與汽羽形態(tài)隨蒸汽流率、過(guò)冷水溫度以及過(guò)冷水流速的變化規(guī)律.

目前，對(duì)于蒸汽浸沒(méi)射流的研究集中于蒸汽通過(guò)直管或Laval噴管[6, 12, 21-22]，針對(duì)本文所討論的鼓泡器射流，并沒(méi)有太多研究從較小的時(shí)間尺度上討論射流現(xiàn)象與壓力信號(hào)變化趨勢(shì)之間的相關(guān)性.

本文首先基于實(shí)驗(yàn)對(duì)通過(guò)鼓泡器形式的蒸汽射流汽羽形態(tài)、流動(dòng)相圖以及汽羽與壓力波動(dòng)在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了討論，然后指出壓力高頻振蕩與脫離氣泡潰滅冷凝過(guò)程的相關(guān)性，最后給出了汽羽長(zhǎng)度的變化規(guī)律并與已有預(yù)測(cè)公式進(jìn)行比較.本文研究為核能安全系統(tǒng)抑壓裝置的研制提供了理論依據(jù)與實(shí)踐基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

蒸汽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，其中：T為熱電偶；P為壓力傳感器.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含去離子水箱、蒸汽發(fā)生器(電鍋爐)、泄壓水箱及其相對(duì)應(yīng)的管道、閥門(mén)與計(jì)量設(shè)備.實(shí)驗(yàn)時(shí)，柱塞泵首先將去離子水箱中的無(wú)雜質(zhì)水注入蒸汽發(fā)生器中，將去離子水加熱并產(chǎn)生蒸汽，通過(guò)功率控制得到特定溫度、壓力的飽和蒸汽，當(dāng)蒸汽達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)時(shí)，打開(kāi)相關(guān)閥門(mén)使蒸汽通過(guò)對(duì)應(yīng)的蒸汽管路，并通過(guò)管路上的溫度壓力測(cè)量?jī)x表獲得蒸汽的狀態(tài)與流率，單孔鼓泡器安裝在回路末端，實(shí)驗(yàn)使用的鼓泡器為側(cè)向有直徑16 mm圓孔的單端封閉管道.實(shí)驗(yàn)時(shí)飽和蒸汽從管道一端進(jìn)入，通過(guò)鼓泡器上的側(cè)向孔在泄壓水箱中排放.具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示.其中：FS為滿(mǎn)量程.實(shí)驗(yàn)中，采用動(dòng)態(tài)壓力傳感器記錄蒸汽浸沒(méi)射流帶來(lái)的壓力變化，同時(shí)使用高速攝像機(jī)記錄射流現(xiàn)象，壓力數(shù)據(jù)與可視化圖像通過(guò)同步器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集起點(diǎn)的同步.設(shè)定壓力采樣頻率為可視化圖像采樣率的2倍，以保證每一幀可視化圖像都可以與壓力信號(hào)相對(duì)應(yīng).

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of experiment system

表1 實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Experiment conditions

1.2 壓力信號(hào)與可視化圖像處理

通過(guò)同步觸發(fā)器統(tǒng)一壓力信號(hào)與可視化圖像信號(hào)采集時(shí)間的起點(diǎn)，并設(shè)定采樣頻率，在確定信號(hào)步進(jìn)長(zhǎng)度后，就可保證在時(shí)間軸上兩者實(shí)現(xiàn)了有效對(duì)應(yīng).為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，壓力與圖像采樣頻率分別設(shè)置為較高的10 kHz與5 kHz.

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器獲得水箱中的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，并通過(guò)高頻數(shù)字采集系統(tǒng)記錄.壓力測(cè)點(diǎn)布置在卸壓水箱中射流汽羽正下方80 mm處，距離鼓泡器孔口徑向距離10 mm的位置上.可視化圖像則通過(guò)高速攝像機(jī)定點(diǎn)拍攝獲得.可視化數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖2所示，其中：L為汽羽長(zhǎng)度.將所獲得的圖像通過(guò)MATLAB進(jìn)行處理，將圖像轉(zhuǎn)化為矩陣，將對(duì)圖像進(jìn)行的時(shí)均處理轉(zhuǎn)化為對(duì)矩陣進(jìn)行的線(xiàn)性運(yùn)算.其次，汽羽變化是重復(fù)性的膨脹收縮，其壓力波動(dòng)有明顯的主頻，即汽羽變化具有周期性，每一幀圖像所占的權(quán)重應(yīng)當(dāng)相同，因此對(duì)圖像進(jìn)行時(shí)均處理等效于對(duì)每一幀圖像矩陣對(duì)應(yīng)位置的元素進(jìn)行平均處理.

圖2 可視化數(shù)據(jù)的處理過(guò)程Fig.2 Processing of visual data

在二值化的時(shí)均圖像上，認(rèn)定從射流孔到管外蒸汽-水區(qū)域所形成的連續(xù)蒸汽團(tuán)末端在射流孔軸向上的距離為汽羽長(zhǎng)度，汽羽長(zhǎng)度與孔徑的比值為無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度，其中射流孔外緣通過(guò)靜態(tài)管道位置判斷所對(duì)應(yīng)的像素位置.

1.3 不確定性分析

本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，誤差分為原始數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差、通過(guò)數(shù)據(jù)處理引入的誤差以及時(shí)間軸對(duì)應(yīng)的偏差.原始數(shù)據(jù)的測(cè)量精度見(jiàn)表1，其誤差與儀表精度相關(guān)，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的有效采集頻率為30 kHz，響應(yīng)時(shí)間為10 μs，實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)量?jī)x表足以反映真實(shí)數(shù)據(jù)的變化.通過(guò)數(shù)據(jù)處理引入的誤差可以用誤差傳遞公式表示，即計(jì)算值誤差是相關(guān)參數(shù)的加權(quán)和.權(quán)重為誤差傳遞公式對(duì)該參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，則有：

i=1, 2, 3

式中：y為經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)；f為數(shù)據(jù)處理對(duì)應(yīng)的函數(shù)；x1、x2、x3為3組實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)；xi為任一實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)；Δy為y的絕對(duì)誤差；Δxi為xi的絕對(duì)誤差.本實(shí)驗(yàn)中，蒸汽狀態(tài)的測(cè)量誤差小于0.5%.蒸汽狀態(tài)參數(shù)的處理方式是對(duì)同組數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均化處理，這一處理方式中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)重相同，處理后蒸汽狀態(tài)參數(shù)誤差仍然小于0.5%.質(zhì)量流量由渦街流量計(jì)測(cè)得的體積流量與當(dāng)?shù)卣羝麪顟B(tài)的密度計(jì)算獲得，質(zhì)量流量誤差可以認(rèn)為小于1%.

時(shí)間軸對(duì)應(yīng)誤差產(chǎn)生的原因?yàn)閴毫π盘?hào)與可視化圖像是通過(guò)不同采集系統(tǒng)獲得的.兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)置時(shí)鐘計(jì)時(shí)方式略有差異，通過(guò)同步觸發(fā)器獲取的壓力信號(hào)與可視化圖像在時(shí)間軸上會(huì)有一個(gè)固定的時(shí)間差，該錯(cuò)位誤差最大為0.1 ms.但壓力與圖像采集頻率遠(yuǎn)高于實(shí)際現(xiàn)象的變化頻率，信號(hào)變化本身也是連續(xù)的，這一錯(cuò)位實(shí)際上并不影響對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定，本實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為這一誤差可以忽略不計(jì).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流型劃分與汽羽形態(tài)特性

圖3 由單孔射流實(shí)驗(yàn)得出的相圖[16]Fig.3 Regime map of steam jet injection by single-hole nozzle experiment[16]

針對(duì)單孔射流的相圖如圖3所示.其中：G為蒸汽質(zhì)量流率；T為過(guò)冷水池溫度；d為噴孔直徑.首先，參考文獻(xiàn)[16]對(duì)單孔射流的劃分并對(duì)比本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將時(shí)均汽羽形態(tài)以及瞬時(shí)管外蒸汽形態(tài)類(lèi)似、壓力波動(dòng)形式相近的工況點(diǎn)歸劃為一個(gè)流型.在任一工況下都可以不同程度地觀察到“氣泡脫離”現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與Chong等[23]在直管射流實(shí)驗(yàn)中通過(guò)頻譜分析獲得的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，其在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)全工況存在第二主頻，而第二主頻目前被認(rèn)為是由氣泡的潰滅導(dǎo)致的[24].通常認(rèn)為在高溫低流率工況下會(huì)出現(xiàn)氣泡脫離，并將這一區(qū)域劃定為氣泡冷凝振蕩區(qū).本文的“氣泡脫離”現(xiàn)象不屬于某一個(gè)流型的特征，按照時(shí)均汽羽形態(tài)、瞬時(shí)管外蒸汽形態(tài)與壓力波動(dòng)形式劃分不同區(qū)域，認(rèn)為在質(zhì)量流率為50～500 kg/(m2·s)，水池溫度為30～85 ℃的實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)可以觀察到5種不同的流型.將這5種流型對(duì)應(yīng)的流率溫度范圍分別命名為：C區(qū)、TC區(qū)、CO區(qū)、SC區(qū)、IOC區(qū).通過(guò)4個(gè)工況點(diǎn)展示的不同水溫與蒸汽流率下的汽羽形態(tài)差異如圖4所示.圖4(a)為C區(qū)與TC區(qū)汽羽，兩者時(shí)均汽羽形態(tài)一致，區(qū)別在于瞬態(tài)管外蒸汽形態(tài).圖4(b)為CO區(qū)汽羽，其時(shí)均汽羽是在管外形成較大的球形或橢球形的氣泡，同時(shí)在過(guò)冷水中也會(huì)因?yàn)橛胁煌耆淠拿撾x氣泡形成蒸汽團(tuán).圖4(c)為SC區(qū)汽羽，該流型下管外蒸汽形態(tài)穩(wěn)定，時(shí)均汽羽形態(tài)與瞬時(shí)管外蒸汽形態(tài)相近.圖4(d)為IOC區(qū)汽羽，在IOC區(qū)較低的水池過(guò)冷度導(dǎo)致蒸汽在管外冷凝效率不高，因此管外汽羽無(wú)法維持凝聚形態(tài)，而是向外發(fā)散形成較長(zhǎng)、較寬的兩相流動(dòng)混合區(qū)域.

圖4 不同水溫與蒸汽流率下的汽羽形態(tài)差異Fig.4 Differences of steam plumes at different water temperatures and steam mass fluxes

按前文所述方式劃分流型后，獲得的鼓泡器射流相圖如圖5所示.由于工況點(diǎn)之間跨度較大，盡管工況點(diǎn)之間的汽羽形態(tài)與壓力波動(dòng)差別較大，但是流型與流型之間的邊界線(xiàn)難以通過(guò)確定的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確劃分，所以判斷各點(diǎn)所處的區(qū)域以工況點(diǎn)為準(zhǔn).

圖5 鼓泡器射流相圖劃分Fig.5 Regime map division of steam jet injection in a side-hole sparger

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域劃分與文獻(xiàn)[16]的射流相圖劃分方法相近，主要差異在于冷凝振蕩區(qū)的劃分不同，以及本次實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有劃分氣泡冷凝振蕩區(qū).文獻(xiàn)[16]和[25]對(duì)冷凝振蕩區(qū)的描述是管外蒸汽與水接觸面的劇烈振蕩區(qū)，可以明顯觀察到周?chē)^(guò)冷水的前后移動(dòng)，同時(shí)壓力振蕩的頻率較高；而對(duì)泡狀冷凝振蕩區(qū)的描述則是產(chǎn)生不規(guī)則的脫離氣泡區(qū)，脫離氣泡在水中冷凝或上浮.但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鼓泡器射流除了喘振區(qū)外，都有脫離氣泡產(chǎn)生，將某一小片區(qū)域命名為氣泡冷凝振蕩區(qū)顯然不合理.在本次實(shí)驗(yàn)劃分的冷凝振蕩區(qū)中，高水溫和低水溫僅會(huì)帶來(lái)脫離氣泡的大小差異，但脫離氣泡的大小本身難以量化也無(wú)需區(qū)分.

對(duì)比已有文獻(xiàn)的描述，所劃分的冷凝振蕩區(qū)的壓力時(shí)域特性符合冷凝振蕩區(qū)描述，而汽羽形態(tài)變化更接近泡狀冷凝振蕩區(qū)描述.因此，選擇將流型與對(duì)應(yīng)壓力變化特征為前文所述的工況稱(chēng)為冷凝振蕩區(qū)，而不特意區(qū)分出氣泡冷凝振蕩區(qū).需要注意的是，在孔徑為16 mm的鼓泡器射流中，當(dāng)蒸汽質(zhì)量流率過(guò)低(G<50 kg/(m2·s))時(shí)，蒸汽甚至無(wú)法從孔口噴出，在管道內(nèi)部就已經(jīng)冷凝成液態(tài)水.

2.2 汽羽形態(tài)變化與壓力時(shí)域特性

按照所劃分的流型，按順序介紹不同流型下管外蒸汽形態(tài)變化以及所對(duì)應(yīng)的壓力時(shí)域特性.同時(shí)，基于時(shí)間同步將管外汽羽與壓力變化點(diǎn)對(duì)應(yīng)，討論壓力變化的機(jī)制.

喘振區(qū)主要分布在低溫低流率工況下.在這一區(qū)域內(nèi)，管外蒸汽會(huì)迅速冷凝而消失，過(guò)冷水會(huì)間歇性倒吸進(jìn)入管道內(nèi)部.以G=50 kg/(m2·s)，T=35 ℃工況點(diǎn)為例，喘振區(qū)管外蒸汽形態(tài)如圖6所示，其中：t為圖像與采樣起始點(diǎn)的相對(duì)時(shí)間.喘振區(qū)壓力時(shí)域特性及其變化趨勢(shì)如圖7所示，其中：pd為動(dòng)態(tài)壓力值.

圖6 喘振區(qū)管外蒸汽瞬時(shí)形態(tài)Fig.6 Transient shapes of the steam outside the pipe in chugging regime

圖7 喘振區(qū)壓力時(shí)域特性及其變化趨勢(shì)Fig.7 Pressure characteristics in time domain and its changing trends in chugging regime

在喘振區(qū)，鼓泡器射流無(wú)法維持穩(wěn)定的管外蒸汽形態(tài)，蒸汽會(huì)在孔口重復(fù)出現(xiàn)“噴放—消失”現(xiàn)象.其一個(gè)循環(huán)的狀態(tài)可以描述為如下4個(gè)階段：① 管外蒸汽同時(shí)受到來(lái)流蒸汽壓力與管外冷凝作用，在壓力起主要作用的條件下體積膨脹；② 蒸汽在管外聚集，末端產(chǎn)生氣泡；③ 氣泡潰滅，蒸汽收縮，過(guò)冷水倒吸；④ 蒸汽再次沖出孔口.圖6展示了喘振區(qū)蒸汽“噴放—消失”的一個(gè)周期，喘振區(qū)的管外蒸汽不斷重復(fù)該過(guò)程.

觀察圖7(a)的壓力時(shí)域變化曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，喘振區(qū)壓力信號(hào)是由逐個(gè)突然出現(xiàn)的壓力峰組成的，借助圖6與7中的時(shí)間標(biāo)記，可以將壓力波動(dòng)在時(shí)間上與管外蒸汽形態(tài)的變化相對(duì)應(yīng).當(dāng)t=28.0 ms時(shí)，管外蒸汽與過(guò)冷水之間還沒(méi)有形成完整的兩相混合邊界，管外蒸汽中心區(qū)域仍然可以被光穿透.當(dāng)t=28.0～30.4 ms時(shí)，為管外蒸汽末端氣泡膨脹的過(guò)程.在該時(shí)間段內(nèi)，管外蒸汽與過(guò)冷水之間形成了兩相邊界(無(wú)法被光穿透)且末端氣泡不斷擴(kuò)大，對(duì)應(yīng)的壓力變化則是小幅度持續(xù)減少.當(dāng)t=30.4 ms時(shí)，末端汽泡膨脹到最大并即將開(kāi)始潰滅，壓力也到達(dá)了極小值.當(dāng)t=30.4～31.0 ms時(shí)，為末端氣泡的破裂過(guò)程，即時(shí)間對(duì)應(yīng)的壓力以極大的增幅迅速增加.當(dāng)t=31.0 ms時(shí)，管外蒸汽產(chǎn)生脫離氣泡，對(duì)應(yīng)的壓力波動(dòng)達(dá)到峰值.最后，管外蒸汽被冷凝而消失，壓力呈指數(shù)型振蕩衰減.由于并沒(méi)有使用可視化管道，過(guò)冷水倒吸的現(xiàn)象并不能得到展示.但從圖7(b)單個(gè)壓力峰信號(hào)來(lái)看，壓力波動(dòng)是經(jīng)歷了較長(zhǎng)的平緩期，而后才有突然出現(xiàn)的壓力振蕩.這就意味著管外蒸汽的變化十分劇烈，在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生并重復(fù)了蒸汽噴放消失的過(guò)程，從質(zhì)量與動(dòng)量守恒的角度也可以判斷出過(guò)冷水出現(xiàn)倒灌的現(xiàn)象.

在喘振區(qū)，當(dāng)壓力達(dá)到峰值時(shí)，管外蒸汽末端氣泡開(kāi)始潰滅；而汽羽消失、過(guò)冷水進(jìn)入管道的時(shí)刻并沒(méi)有對(duì)應(yīng)壓力振蕩結(jié)束.壓力波動(dòng)強(qiáng)度在指數(shù)衰減的過(guò)程中出現(xiàn)反常波動(dòng)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的現(xiàn)象是過(guò)冷水倒吸.這一過(guò)程可以認(rèn)為是倒吸過(guò)程打斷了氣泡潰滅產(chǎn)生的壓力振蕩傳播.過(guò)冷水倒吸影響了管外流場(chǎng)，管外流體被吸進(jìn)管道內(nèi)部從而間接影響了壓力波的傳遞，因此倒吸現(xiàn)象之后的壓力波動(dòng)是氣泡潰滅產(chǎn)生壓力波動(dòng)的余波.

圖8 喘振過(guò)渡區(qū)管外蒸汽瞬時(shí)形態(tài)Fig.8 Transient shapes of the steam outside the pipe in transient chugging regime

圖9 喘振過(guò)渡區(qū)壓力時(shí)域特性及其變化趨勢(shì)Fig.9 Pressure characteristics in time domain and its changing trends in transient chugging regime

喘振過(guò)渡區(qū)主要分布在低流率工況下，其汽羽形態(tài)與喘振區(qū)一致，兩者的時(shí)均汽羽僅在長(zhǎng)度上有差別.管外蒸汽形態(tài)以及壓力波動(dòng)形式與喘振區(qū)總體上相似.以工況G=50 kg/(m2·s)，T=60 ℃為例，在管外蒸汽的末端同樣會(huì)周期性地產(chǎn)生脫離氣泡，如圖8所示.喘振過(guò)渡區(qū)的壓力時(shí)域信號(hào)也是由多個(gè)突然出現(xiàn)的壓力峰值組成，如圖9所示.喘振區(qū)管外蒸汽形態(tài)變化規(guī)律與喘振過(guò)渡區(qū)的區(qū)別僅在于過(guò)冷水是否倒吸.其次，喘振過(guò)渡區(qū)的壓力信號(hào)是由多個(gè)波動(dòng)強(qiáng)度以指數(shù)形式振蕩衰減的壓力波組成的.由圖8和9可知，觀察壓力峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)(t=13.0，25.0，36.8 ms)，當(dāng)管外蒸汽收縮、末端氣泡潰滅時(shí)，壓力波動(dòng)達(dá)到峰值.圖8(b)對(duì)應(yīng)了一個(gè)壓力振蕩結(jié)束時(shí)的管外汽羽形態(tài).當(dāng)管外蒸汽收縮、末端氣泡在水中被完全冷凝時(shí)，壓力振蕩結(jié)束.當(dāng)t=20.0，33.6 ms時(shí)，觀察圖8(c)與圖8(e)的汽羽形態(tài)可以確定，在喘振過(guò)渡區(qū)管外蒸汽膨脹過(guò)程并不會(huì)帶來(lái)壓力波動(dòng).冷凝振蕩區(qū)主要分布在溫度較高的工況下，以工況G=100 kg/(m2·s)，T=85 ℃為例，冷凝振蕩區(qū)管外蒸汽變化如圖10所示，其壓力時(shí)域特性及其變化趨勢(shì)如圖11所示.在冷凝振蕩區(qū)，管外蒸汽不斷從末端產(chǎn)生脫離氣泡，而脫離氣泡在水中并不會(huì)被迅速冷凝而消失，而是不斷被壓縮后膨脹，同時(shí)會(huì)持續(xù)向前運(yùn)動(dòng).由圖11(a)可知，冷凝振蕩區(qū)的壓力變化頻率更高，相鄰壓力峰的強(qiáng)度也更接近.圖11(b)展示了壓力隨時(shí)間在較小尺度上的變化曲線(xiàn)，每一小段的壓力波動(dòng)通常都會(huì)由2個(gè)壓力峰組成.結(jié)合圖10和11可知，當(dāng)t=6.8 ms時(shí)，管外蒸汽末端的氣泡開(kāi)始脫離蒸汽區(qū)域向前移動(dòng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)壓力則是持續(xù)地小幅減少.當(dāng)t=9.8 ms時(shí)，壓力達(dá)到極小值，管外蒸汽末端的脫離氣泡達(dá)到最大體積，而孔口到脫離氣泡之間的蒸汽區(qū)域則是達(dá)到最小體積.在本次周期的后續(xù)時(shí)間內(nèi)，這一區(qū)域以較慢的速度不斷膨脹.當(dāng)t=9.8～14.5 ms時(shí)，壓力不斷增加且梯度越來(lái)越大.對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象則是末端氣泡緩慢脫離時(shí)，壓力變化較緩慢，末端氣泡體積緩慢減小.當(dāng)脫離氣泡產(chǎn)生后，壓力迅速增加，氣泡潰滅，體積迅速壓縮，直到t=14.5 ms時(shí)，脫離氣泡達(dá)到最小體積，且壓力達(dá)到峰值.

圖10 冷凝振蕩區(qū)管外蒸汽瞬時(shí)形態(tài)Fig.10 Transient shapes of the steam outside the pipe in condensation oscillation regime

圖11 冷凝振蕩區(qū)壓力時(shí)域特性及其變化趨勢(shì)Fig.11 Pressure characteristics in time domain and its changing trends in condensation oscillation regime

在這之后壓力的波動(dòng)與脫離氣泡的變化一致，脫離氣泡產(chǎn)生了2次膨脹壓縮，壓力也出現(xiàn)2個(gè)突變的峰值.當(dāng)t=14.5 ms時(shí)，脫離氣泡潰滅且體積被壓縮到極小值，此時(shí)壓力激增，達(dá)到壓力強(qiáng)度的極大值.隨后，脫離氣泡體積不斷膨脹，當(dāng)t=16.8 ms時(shí)，脫離氣泡體積膨脹到極大值，在此過(guò)程中第1個(gè)壓力突變峰不斷衰減直到消失.當(dāng)t=17.8 ms時(shí)，脫離氣泡再次潰滅，同時(shí)體積被壓縮到極小值，同時(shí)第2個(gè)壓力突變峰隨之出現(xiàn).

在第2次壓縮后，脫離氣泡就會(huì)緩慢冷凝消失.當(dāng)t=18.6 ms時(shí)，脫離氣泡從接近透明的狀態(tài)變成了兩相混合的狀態(tài)，表明脫離氣泡在不斷冷凝.當(dāng)t=19.2 ms時(shí)，脫離氣泡接近完全消失，此過(guò)程中第2個(gè)壓力突變峰振蕩衰減回歸到初始靜壓值.

圖12 穩(wěn)定冷凝區(qū)管外蒸汽瞬時(shí)形態(tài)Fig.12 Transient shapes of the steam outside the pipe in stable condensation regime

圖13 穩(wěn)定冷凝區(qū)壓力時(shí)域特性及其變化趨勢(shì)Fig.13 Pressure characteristics in time domain and its changing trends in stable condensation regime

穩(wěn)定冷凝區(qū)主要分布在低溫高流率工況下，以工況G=400 kg/(m2·s)，T=55 ℃為例，其管外蒸汽形態(tài)如圖12所示.在管外蒸汽末端仍然會(huì)有氣泡不斷脫離，但總體上蒸汽的變化不像前文所述的有十分明顯的體積變化，而更多的表現(xiàn)為汽羽在蒸汽流速方向上不斷伸長(zhǎng)收縮.穩(wěn)定冷凝區(qū)壓力時(shí)域特性及其變化趨勢(shì)如圖13所示.在穩(wěn)定冷凝區(qū)，相鄰壓力波動(dòng)強(qiáng)度差值更小，即使出現(xiàn)較高的壓力峰，壓力衰減現(xiàn)象也變得不明顯.原因在于穩(wěn)定冷凝振蕩區(qū)的壓力波動(dòng)高頻且穩(wěn)定，即使氣泡潰滅會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高且會(huì)迅速衰減的壓力波動(dòng)，但這一壓力波動(dòng)與基準(zhǔn)壓力波動(dòng)差距不大，兩者疊加后就表現(xiàn)為如圖13(a)所示的壓力時(shí)域特性.

為了方便觀察，在圖12上的管外蒸汽形態(tài)同一位置添加了豎直紅線(xiàn).當(dāng)有較大的壓力波動(dòng)時(shí)，即當(dāng)t=55.0 ms時(shí)，壓力處于高點(diǎn)，管外蒸汽長(zhǎng)度較短.當(dāng)t=55.4～56.0 ms時(shí)，壓力不斷衰減，但其仍然高于基準(zhǔn)壓力波動(dòng)，此時(shí)的管外蒸汽長(zhǎng)度隨壓力的衰減而不斷增加.當(dāng)沒(méi)有較大壓力波動(dòng)時(shí)，蒸汽管外長(zhǎng)度也會(huì)不斷變化，不過(guò)這一變化并不會(huì)影響壓力波動(dòng).當(dāng)t=57.4～57.6 ms時(shí)，管外蒸汽長(zhǎng)度末端收縮，而壓力卻沒(méi)有變化.當(dāng)t=56.0～60.6 ms時(shí)，僅當(dāng)壓力產(chǎn)生大幅變化情況下，管外蒸汽長(zhǎng)度才會(huì)有明顯的變化.長(zhǎng)度的縮短伸長(zhǎng)對(duì)應(yīng)末端兩相區(qū)域的明暗，是末端蒸汽不斷地冷凝補(bǔ)充的結(jié)果，實(shí)際仍然是末端脫離氣泡的膨脹與潰滅過(guò)程.

界面振蕩冷凝區(qū)主要分布在高溫高流率工況下.以工況G=400 kg/(m2·s)，T=80 ℃為例，其管外蒸汽瞬時(shí)形態(tài)如圖14所示.由圖14可以觀察到，汽羽末端不斷出現(xiàn)脫離氣泡，當(dāng)脫離氣泡潰滅，汽羽末端也從收斂的形態(tài)變?yōu)榘l(fā)散的兩相區(qū)域.這種工況下的壓力波動(dòng)也以正向壓力波動(dòng)為主，壓力波動(dòng)形式也與其他區(qū)域完全不同.界面振蕩冷凝區(qū)的壓力時(shí)域特性及其變化趨勢(shì)如圖15所示.其壓力波動(dòng)由多個(gè)正值較大、負(fù)值較小的壓力峰組成，其基準(zhǔn)壓力要小于冷態(tài)下的環(huán)境壓力.基準(zhǔn)壓力偏小是水中存在大量蒸汽泡導(dǎo)致的，蒸汽泡的存在整體上降低了水的密度, 從而降低了測(cè)點(diǎn)處的靜壓.

觀察汽羽與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)界面振蕩冷凝區(qū)與穩(wěn)定冷凝區(qū)在汽羽與壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系上的相似處，末端蒸汽潰滅呈現(xiàn)收縮的形態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力恰好產(chǎn)生峰值.當(dāng)t=113.6 ms時(shí)，脫離氣泡潰滅，汽羽縮短到極小值，此時(shí)壓力達(dá)到極大值.當(dāng)t=113.6～122.5 ms時(shí)，管外蒸汽經(jīng)歷了膨脹、發(fā)散與收縮的變化過(guò)程，展示了相鄰兩個(gè)壓力峰之間汽羽形態(tài)的變化.當(dāng)t=122.5～125.8 ms時(shí)，汽羽末端潰滅結(jié)束，汽羽膨脹與發(fā)散，形成較長(zhǎng)、較寬的兩相流動(dòng)區(qū)域，此時(shí)對(duì)應(yīng)壓力的低點(diǎn).

在界面振蕩冷凝區(qū)，其壓力波動(dòng)形式發(fā)生變化，負(fù)值壓力波動(dòng)較小，其壓力變化原理在現(xiàn)有數(shù)據(jù)下難以判斷.但是可以發(fā)現(xiàn)的是，當(dāng)末端區(qū)域的蒸汽潰滅消失時(shí)，這一現(xiàn)象仍然對(duì)應(yīng)壓力的極大值，說(shuō)明在界面冷凝振蕩區(qū)，氣泡潰滅同樣是壓力變化的原因之一.

圖14 界面振蕩冷凝區(qū)管外蒸汽瞬時(shí)形態(tài)Fig.14 Transient shapes of the steam outside the pipe in interfacial oscillation condensation regime

圖15 界面振蕩冷凝區(qū)壓力時(shí)域特性與變化趨勢(shì)Fig.15 Pressure characteristics in time domain and its changing trends in interfacial oscillation condensation regime

2.3 壓力變化機(jī)制討論

通過(guò)前文對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述可以發(fā)現(xiàn)，管外蒸汽形態(tài)變化與壓力振蕩衰減過(guò)程在時(shí)間上有較強(qiáng)的相關(guān)性.當(dāng)管外蒸汽產(chǎn)生的脫離氣泡潰滅消失時(shí)，必然會(huì)觀察到壓力極大值.同時(shí)，從文獻(xiàn)[20]和[26]對(duì)壓力頻譜的描述也可以發(fā)現(xiàn)，射流過(guò)程產(chǎn)生的壓力振蕩頻譜通常僅有一個(gè)峰值，在部分工況下，通常是在冷凝振蕩區(qū)內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)第二主頻.文獻(xiàn)[24]指出，在直管射流的實(shí)驗(yàn)中，第一主頻是由于管外蒸汽本身的伸長(zhǎng)縮短導(dǎo)致的，而第二主頻是由于脫離氣泡潰滅而產(chǎn)生的.而在鼓泡器射流中，由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性，在全工況下就會(huì)產(chǎn)生明顯的脫離氣泡.脫離氣泡與壓力波動(dòng)的關(guān)系可以通過(guò)對(duì)壓力信號(hào)的量化分析來(lái)驗(yàn)證，并加以判斷脫離氣泡的潰滅是否是壓力波動(dòng)的主要原因.

通過(guò)對(duì)壓力波動(dòng)進(jìn)行快速Fourier變換分析，將壓力波動(dòng)認(rèn)為是由多個(gè)壓力源組成，每個(gè)壓力源對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)頻譜峰值.在僅考慮脫離氣泡的影響下，壓力的時(shí)域信號(hào)可表示為

(3)

式中：k為采集數(shù)據(jù)量；ω為采樣分辨率；Ai為第i項(xiàng)對(duì)應(yīng)頻率的強(qiáng)度；p0為靜壓.頻譜上壓力峰的強(qiáng)度Ai應(yīng)當(dāng)是一個(gè)考慮了氣泡脫離頻率與單次脫離壓力波動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)均值.在鼓泡器射流中，由脫離氣泡潰滅產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是周期性產(chǎn)生的.由前文所述的時(shí)間節(jié)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，氣泡潰滅與氣泡重新生成所需要的時(shí)間不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，則可以認(rèn)為每次潰滅僅能影響當(dāng)前的壓力波動(dòng)，不會(huì)對(duì)下一次壓力波動(dòng)產(chǎn)生影響，這與水下爆炸的壓力源相似.文獻(xiàn)[27]指出，水下爆炸導(dǎo)致的壓力強(qiáng)度時(shí)程曲線(xiàn)符合指數(shù)衰減規(guī)律.對(duì)本次實(shí)驗(yàn)而言，如果認(rèn)為氣泡潰滅導(dǎo)致了壓力波動(dòng)，那么在壓力高頻振蕩的區(qū)間內(nèi)，壓力波動(dòng)可以在式(3)基礎(chǔ)上修正為

(4)

t∈(t0,t0+t1)

式中：φave為壓力波動(dòng)振幅；c為壓力衰減系數(shù)，其可以反映壓力衰減的快慢程度；t0為壓力振蕩起始時(shí)間點(diǎn)；t2為壓力高頻波動(dòng)周期，其取決于脫離氣泡的振蕩頻率；t1為振蕩周期，取決于脫離氣泡的產(chǎn)生頻率.

選取冷凝振蕩區(qū)的一小段壓力波動(dòng)形式并對(duì)該波動(dòng)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖16所示.由圖16可知，兩條夾逼曲線(xiàn)的常數(shù)項(xiàng)與指數(shù)項(xiàng)近似一致，表明壓力強(qiáng)度衰減確實(shí)為指數(shù)型衰減.由前文可知，在喘振過(guò)渡區(qū)和穩(wěn)定冷凝振蕩區(qū)的壓力衰減也屬于該類(lèi)型，即在鼓泡器喘振區(qū)、喘振過(guò)渡區(qū)、冷凝振蕩區(qū)以及穩(wěn)定冷凝振蕩區(qū)，壓力高頻振蕩的變化趨勢(shì)與水下爆破壓力衰減趨勢(shì)一致，因此可以推論氣泡潰滅是壓力高頻振蕩的主要原因.

圖16 冷凝振蕩區(qū)壓力波動(dòng)Fig.16 Pressure oscillation in condensation oscillation regime

2.4 汽羽長(zhǎng)度敏感性分析

對(duì)于鼓泡器形式的蒸汽射流，其汽羽長(zhǎng)度與常規(guī)直管或套管式射流呈現(xiàn)不完全相同的現(xiàn)象.將本次實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)論與已有文獻(xiàn)結(jié)論對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，就其流動(dòng)規(guī)律來(lái)看，總體上鼓泡器射流更容易形成脫離氣泡而不是穩(wěn)定的汽羽形態(tài).隨著質(zhì)量流率與水溫的增加，脫離氣泡會(huì)從少到多，并且逐漸增大.本次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)汽羽屬于同一個(gè)流型時(shí)，汽羽長(zhǎng)度隨質(zhì)量流率與水溫的增加而增加，這與已有文獻(xiàn)描述一致.而當(dāng)流型發(fā)生變化時(shí)，汽羽長(zhǎng)度會(huì)突然減小.無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)如圖17所示.圖17(a)中，水溫為40 ℃、質(zhì)量流率為250 kg/(m2·s)的工況與水溫為65 ℃、質(zhì)量流率為300 kg/(m2·s)的工況都是區(qū)域邊界點(diǎn).當(dāng)T=40，65 ℃時(shí)，在統(tǒng)一流型對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，汽羽長(zhǎng)度隨質(zhì)量流率的增加而增加；在相鄰兩個(gè)工況分屬不同流型的區(qū)域內(nèi)，汽羽長(zhǎng)度發(fā)生了階躍變化，質(zhì)量流率的增加導(dǎo)致汽羽長(zhǎng)度突然減小.圖17(b)展示了不同流率下無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度隨水溫的變化趨勢(shì)，其中G=500 kg/(m2·s)的工況全部屬于穩(wěn)定冷凝區(qū)，G=100 kg/(m2·s)的工況則跨越了3個(gè)流型，40 ℃與55 ℃工況都屬于區(qū)域邊界點(diǎn).當(dāng)G=100，500 kg/(m2·s)時(shí)，同一流型的汽羽長(zhǎng)度隨質(zhì)量流率的增加而增加；在不同流型區(qū)域內(nèi)，隨著溫度的增加，流型變化工況點(diǎn)的汽羽長(zhǎng)度均會(huì)突然減小.

圖17 無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度隨G和T的變化Fig.17 Dimensionless plume lengths versus G and T

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與參考文獻(xiàn)[19,25]中汽羽長(zhǎng)度的擬合公式對(duì)比如圖18所示.其中：Gc為過(guò)冷水環(huán)境下的臨界質(zhì)量流率，本實(shí)驗(yàn)中取值為275 kg/(m2·s).文獻(xiàn)[19]和[25]提供的擬合公式都是基于單孔直管水平射流獲得的，兩者使用的推導(dǎo)模型相同，只是基于各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正了汽羽長(zhǎng)度的指數(shù)項(xiàng).

圖18 無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.18 Comparison of predicted and experimental dimensionless steam plume lengths

由圖18可知，除了在流型變化的工況點(diǎn)(G=100，300 kg/(m2·s))，無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度與文獻(xiàn)[25]吻合得較好.在冷凝振蕩區(qū)，本次實(shí)驗(yàn)得出的無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度與已有數(shù)據(jù)有一定差距，原因是相比于直管射流，鼓泡器形式的冷凝射流在冷凝振蕩區(qū)產(chǎn)生了大量脫離氣泡，脫離氣泡帶走了一部分蒸汽導(dǎo)致汽羽長(zhǎng)度縮短.

3 結(jié)論

針對(duì)鼓泡器形式的單孔蒸汽射流，研究直接接觸冷凝壓力脈動(dòng)與汽羽形態(tài)的變化特性.噴孔孔徑為16 mm，質(zhì)量流率范圍為50～500 kg/(m2·s)，水溫為 35～85 ℃.基于已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得以下結(jié)論.

(1) 基于汽羽形態(tài)與壓力時(shí)域信號(hào)的特征，繪制了孔徑為16 mm的單孔鼓泡器射流相圖，實(shí)驗(yàn)繪制相圖與已有文獻(xiàn)針對(duì)鼓泡器射流繪制的相圖結(jié)構(gòu)相似.

(2) 壓力高頻振蕩與蒸汽末端氣泡或者脫離氣泡的潰滅同時(shí)出現(xiàn)，壓力波動(dòng)表現(xiàn)為指數(shù)型振蕩衰減，氣泡潰滅是壓力高頻振蕩的主要原因.在喘振區(qū)，當(dāng)過(guò)冷水倒吸時(shí)，會(huì)引起壓力的反常變化.在冷凝振蕩區(qū)，脫離氣泡的多次膨脹收縮同樣會(huì)引起多次壓力的振蕩衰減.

(3) 在冷凝振蕩區(qū)與穩(wěn)定冷凝區(qū)，汽羽長(zhǎng)度隨質(zhì)量流率與溫度的上升而增加.在穩(wěn)定冷凝區(qū)，汽羽長(zhǎng)度會(huì)突然減小，然后隨質(zhì)量流率與溫度的上升而增加.將實(shí)驗(yàn)獲得的無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度與預(yù)測(cè)公式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)[25]的預(yù)測(cè)結(jié)果吻合得較好.