閆美月 潘良明 馬在勇 李 想 何清澈
1(重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室 重慶 400044)
2(重慶大學(xué) 核工程與核技術(shù)系 重慶 400044)
臨界熱流密度(Critical Heat Flux,CHF)是影響設(shè)備安全運行的關(guān)鍵參數(shù)[1-2],與其他傳統(tǒng)通道相比,窄矩形通道由于結(jié)構(gòu)緊湊,換熱面積大而擁有廣泛的應(yīng)用前景[3-4]。因此,了解窄矩形通道的CHF特性及準確預(yù)測CHF的發(fā)生,在進行反應(yīng)堆建模以及設(shè)計時尤其重要[5]。本文主要針對窄矩形通道中沸騰臨界問題進行可視化研究。
可視化實驗是記錄和研究氣泡行為的重要手段,Wang[6]在矩形通道可視化實驗中觀察到了泡狀流、攪混流和環(huán)狀流,分別繪制了0.7 MPa和1.0 MPa壓力下的流型圖,分析了壓力對流型轉(zhuǎn)變的影響,并與已有的流型圖和過渡準則進行了比較。對比結(jié)果表明,加熱狀態(tài)下泡狀流和環(huán)狀流過渡邊界與非加熱狀態(tài)基本一致。周云龍[7]進行三面加熱窄矩形通道可視化實驗研究,結(jié)果觀察到泡狀流、彈狀流、攪混流和氣膜塞狀流,并且認為非加熱通道、單面加熱通道以及三面加熱通道在可視化結(jié)果中有差異。Zhou[8]進行不同壓力下窄矩形通道中可視化實驗研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓力為0.2 MPa時,通道中會出現(xiàn)泡狀流、彈狀流和攪混流,但當(dāng)壓力為1 MPa時,通道中不會發(fā)生彈狀流。
總結(jié)之前的窄矩形通道內(nèi)沸騰臨界可視化實驗研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),窄矩形通道中沸騰臨界一般會發(fā)生在攪混流、彈狀流和攪混流,非加熱情況下的流型轉(zhuǎn)變是否適用于單面加熱窄矩形通道值得商榷,而且現(xiàn)有的文獻大部分僅涉及對流型的總結(jié),并沒有分析不同流型沸騰臨界的觸發(fā)機理,尤其是針對窄縫寬度對流型以及沸騰臨界觸發(fā)機理的影響。因此,本文對不同窄縫寬度下窄矩形通道內(nèi)的CHF進行可視化實驗,獲得了不同窄縫下的流型發(fā)展過程和CHF觸發(fā)機理,分析窄縫寬度對CHF的影響,為后續(xù)CHF機理模型建立提供思路。
為了研究窄矩形通道中的氣泡行為和沸騰臨界情況,本實驗設(shè)計并搭建了高溫高壓實驗回路[9-11],以去離子水作為工質(zhì),主回路中的可視化部分如圖1所示。
圖1 可視化部分設(shè)置 (a) 示意圖,(b) 現(xiàn)場圖Fig.1 Schematic diagram of the setup of visualization part (a) Schematic diagram, (b) Snapshot of experimental field
實驗段由石英玻璃和不銹鋼加熱板形成了窄矩形通道,為了觀察加熱通道內(nèi)的氣泡行為和沸騰臨界情況,通道被設(shè)計為單面加熱,兩側(cè)為承壓裝置和緊固螺栓,高速攝影儀(Revealer X113)從寬邊角度記錄通道內(nèi)氣泡行為,為了獲得通道內(nèi)更加清晰完整氣泡行為,兩個光源和高速攝影儀被布置在二維導(dǎo)軌上,高速攝影儀可以沿著導(dǎo)軌水平和豎直移動,從而獲得加熱壁面上不同位置處的可視化圖像。
為了及時反映沸騰危機發(fā)生時溫度的突然升高并保護試驗段,加熱板一共布置了31支T型鎧裝熱電偶,溫度測點布置如圖2所示。在本實驗中,由于采用均勻加熱,這種情況下沸騰臨界一般發(fā)生在發(fā)熱段靠近出口的位置,因此,在加熱片的出口附近位置熱電偶布置密集,以更好地判斷臨界的發(fā)生位置和時間。
圖2 熱電偶布置圖Fig.2 Schematic diagram of thermocouple locations
為了研究不同幾何參數(shù)(流道間隙)以及熱工參數(shù)(系統(tǒng)壓力、質(zhì)量流速、入口過冷度)下汽液兩相演化特征以及不同運行條件對沸騰臨界造成的影響。實驗的參數(shù)范圍如表1所示。
表1 實驗參數(shù)工況范圍Table 1 Range of experimental parameters
當(dāng)窄縫通道為5 mm時,窄矩形通道中從壁面沸騰發(fā)展到CHF的典型流型發(fā)展過程如圖3(a)所示。可以看到,通道內(nèi)首先產(chǎn)生大量氣泡,而氣泡尺寸與窄縫尺寸相當(dāng),為泡狀流,加熱壁面與汽相接觸時,對應(yīng)的壁面溫度上升;加熱壁面與液相接觸時,對應(yīng)區(qū)域溫度下降。由于加熱壁面不斷交替汽相和液相接觸,因此加熱壁面溫度存在波動(圖3(b)),而且對于氣泡尺寸較小,因此熱電偶波動頻率較高。隨著熱流密度的增加氣泡發(fā)生聚合,聚合氣泡尺寸逐漸增加,發(fā)展到合并泡狀流。聚合而產(chǎn)生的氣泡隨著熱流密度的增加而逐漸增大,當(dāng)氣泡尺寸足夠大、氣泡層足夠致密時,會導(dǎo)致冷流體無法透過致密的氣泡層到達加熱壁面,加熱壁面無法得到冷卻,從而引起加熱壁面溫度突然升高,導(dǎo)致CHF的發(fā)生。
圖3 ε=5 mm時CHF觸發(fā)機理 (a) 流型演變,(b) 溫度變化Fig.3 CHF trigger mechanism in the ε =5 mm (a) Flow pattern evolution, (b) Temperature variation
如圖4(a)所示,當(dāng)窄縫通道為3 mm時,與窄縫通道為5 mm時相比,在垂直加熱壁面方向的汽相被壓縮,可以看到窄矩形通道中形成大的氣泡彈,氣泡彈尺寸幾乎等于窄矩形通道寬度。當(dāng)加熱通道中形成大的氣泡彈時,加熱壁面會與大氣泡彈接觸,氣泡彈對應(yīng)的區(qū)域壁面溫度上升;對于氣泡彈的間隙,加熱壁面與液相接觸時,對應(yīng)區(qū)域內(nèi)由于被液體冷卻從而導(dǎo)致溫度下降,加熱壁面不斷交替與汽相和液相接觸,因此加熱壁面溫度存在波動(圖4(b))。又由于氣泡彈尺寸較大,且氣泡彈和氣泡彈之間存在穩(wěn)定液區(qū),從而導(dǎo)致加熱壁面的溫度波動頻率較泡狀流來說較小。但是當(dāng)氣泡彈的尺寸足夠大,導(dǎo)致氣泡彈底部區(qū)域的熱量始終無法導(dǎo)出,從而造成對應(yīng)區(qū)域的溫度超過臨界溫度,最終觸發(fā)CHF的發(fā)生,又由于氣泡彈尺寸較大,因此氣泡彈存在時發(fā)生CHF涉及到的區(qū)域較大。
圖4 ε=3 mm時CHF觸發(fā)機理 (a) 流型演變,(b) 溫度變化Fig.4 CHF trigger mechanism in the ε =3 mm (a) Flow pattern evolution, (b) Temperature variation
當(dāng)窄縫通道為2 mm時,形成一種汽相和液相沒有明顯的分界面的攪混流,一個不穩(wěn)定流態(tài)(圖5(a)),攪混流具有振蕩性,是彈狀流與環(huán)狀流之間的重要過渡流型。如圖5(b)所示,由于攪混流中汽液兩相沒有明顯的分界面,加熱壁面不斷與汽相和液相接觸,因此加熱壁面溫度存在波動。又因為流動具有不穩(wěn)定性和振蕩性,因此加熱壁面溫度不存在一個類似圖4(b)中的基準溫度。在攪混流中,加熱壁面不斷與汽相和液相接觸,汽液交界面不斷變化,此時發(fā)生CHF的判據(jù)為,加熱壁面的溫度變化速率,當(dāng)加熱壁面溫度變化速率超過設(shè)定值時,同樣會導(dǎo)致CHF的發(fā)生(即差報型CHF)。
圖5 ε=2 mm時CHF觸發(fā)機理 (a) 流型演變,(b) 溫度變化Fig.5 CHF trigger mechanism in the ε =2 mm (a) Flow pattern evolution, (b) Temperature variation
如圖6(a)所示,隨著窄縫寬度的減小,當(dāng)窄縫寬度為1 mm時,通道中上表面限制效果顯著,在臨近CHF發(fā)生時,通道中大多數(shù)情況均為環(huán)狀流。在發(fā)生沸騰臨界時,汽泡底部的液膜蒸干形成干斑,然后干斑的尺寸會逐漸擴大,此時加熱壁面溫度飛升(圖6(b))。窄縫寬度為1 mm時,通道環(huán)狀流時,實際上通道里就僅存在一個薄薄的微液層,當(dāng)這部分微液層出現(xiàn)干斑,相當(dāng)于與大量氣相接觸,因此在窄縫寬度為1 mm的窄矩形通道中環(huán)狀流下的CHF溫升會比在其他流型的更高。
圖6 ε=1 mm時CHF觸發(fā)機理 (a) 流型演變,(b) 溫度變化Fig.6 CHF trigger mechanism in the ε =1 mm (a) Flow pattern evolution, (b) Temperature variation
固定其他條件(入口過冷度、質(zhì)量流速),圖7顯示了窄縫寬度對臨界熱流密度的影響,可以看出,窄縫寬度在5 mm下的臨界熱流密度值均大于3 mm下的臨界熱流密度值。這是因為:隨著窄縫寬度減小,當(dāng)熱流密度較高時,由于窄縫通道的限制,汽泡更不容易脫離加熱壁面,從而導(dǎo)致氣泡更容易聚集在加熱壁面上,聚合程度增加;而大量的氣泡的聚集會導(dǎo)致流動阻力增加,阻礙液體流動以及液體的及時補充,且蒸汽的導(dǎo)熱性能較差,因此各因素綜合導(dǎo)致臨界熱流密度會隨窄縫尺寸的減小而降低。
圖7 窄縫寬度為3 mm和5 mm時CHF隨壓力變化情況Fig.7 CHF changes with pressure when gap size is 3 mm and 5 mm, respectively
同時,圖7也表明在同一窄縫寬度下,當(dāng)窄縫寬度為3 mm和5 mm時,保持入口過冷度和質(zhì)量流速不變時,在1~4 MPa范圍內(nèi),CHF隨著壓力的升高而升高。
但值得注意的是,當(dāng)窄縫寬度為1 mm時,通道中的實驗數(shù)據(jù)表明臨界熱流密度與系統(tǒng)壓力之間存在非線性關(guān)系,如圖8所示。即隨著系統(tǒng)壓力的升高,臨界熱流密度先升高后降低。綜合考慮圖8和圖7,不同窄縫寬度下CHF隨壓力的變化情況可以發(fā)現(xiàn),窄縫寬度對壓力峰值的出現(xiàn)位置也有一定影響。
圖8 窄縫寬度為1 mm時CHF隨壓力變化情況Fig.8 CHF changes with pressure when the gap size is 1 mm
從上面結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),窄縫寬度對系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)折點的出現(xiàn)有影響,這是因為在臨界熱流密度隨系統(tǒng)壓力同步上升的低壓區(qū),起主要影響的氣泡尺寸和氣泡數(shù)量,隨著壓力升高,氣泡數(shù)量升高,從而強化壁面換熱,但是在窄縫寬度為1 mm的窄矩形通道中,窄縫寬度尺寸限制了氣泡尺寸,即隨著氣泡數(shù)量增加到一定程度后,氣泡無法及時從加熱壁面脫離,大量氣泡更易聚集成為氣泡彈,使得加熱壁面上轉(zhuǎn)變成為膜態(tài)沸騰,換熱系數(shù)降低,造成臨界熱流密度減小。
質(zhì)量流速是對臨界熱流密度最具有直接影響的物理量。為了清晰表明不同窄縫寬度下CHF發(fā)生時窄矩形通道內(nèi)流程圖,本文作出的流型圖如圖9所示。
圖中:
圖9 窄矩形通道中CHF發(fā)生時流型圖Fig.9 Flow pattern when CHF occurs in a narrow rectangular channel
式中:Xe為熱平衡含氣率;hin為入口流體焓,J·kg-1;G為質(zhì)量流速,kg·(m2·s)-1;L為加熱段長度,m;ε為矩形通道窄縫寬度,m;q為有效熱流密度,W·m-2。
可以直觀地發(fā)現(xiàn),窄矩形通道中窄縫寬度從5 mm下降到1 mm時,通道中流型分別為泡狀流、彈狀流、攪混流和環(huán)狀流。
本文觀察了不同窄縫寬度下發(fā)生CHF時的流型特征,從可視化的實驗現(xiàn)象和物理機理來解釋沸騰危機的發(fā)生機理,發(fā)現(xiàn)窄縫寬度對CHF發(fā)生時的流型有非常重要的影響:
1)隨著窄縫寬度增大,發(fā)生CHF時的流型依次經(jīng)歷環(huán)狀流、攪混流、彈狀流和泡狀流。在環(huán)狀流時發(fā)生CHF時涉及到區(qū)域由初始的干斑逐漸擴展,溫升最大;在攪混流時發(fā)生的是差報型CHF;而彈狀流涉及到的區(qū)域最廣;在泡狀流中壁面溫度波動頻率最大。
2)在1~4 MPa的范圍內(nèi),當(dāng)窄縫寬度為1 mm時,在窄矩形通道中CHF與系統(tǒng)壓力呈現(xiàn)非線性關(guān)系,而在其他窄縫寬度中CHF隨壓力增大而增大。
作者貢獻聲明閆美月負責(zé)設(shè)計實驗并實施,采集和分析數(shù)據(jù),起草文章;潘良明、馬在勇負責(zé)對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱,獲取研究經(jīng)費;李想、何清澈負責(zé)進行統(tǒng)計分析數(shù)據(jù),整理資料。