（工程热物理专业论文）细小狭窄通道内流动沸腾传热实验研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 核反应堆板状燃料组件内的流道形状通常是一种狭窄的矩形通道，通道狭缝 宽度一般为2 3 m m 。受到空间的限制，通道内的流动沸腾换热呈现出一维受限空 间的沸腾流动换热特性。论文对细小狭缝内过冷沸腾流动换热现象展开了实验研 究，课题的研究具有重要的工程意义和科学价值。 论文研究在已有的环形通道沸腾换热实验系统平台基础上，设计、加工了典 型狭缝通道的实验件本体，以去离子水为工质，开展了常压下细小狭缝通道内的 沸腾流动传热可视化实验研究：实验系统研究了热流密度、液体过冷度、进口质 量流率等因素对狭缝通道内流动沸腾换热影响规律；通过对实验高速摄像的图形 分析，开展了通道内气泡动力学特性的实验研究。 研究结果表明，在所研究的实验参数范围内，过冷沸腾换热系数随入口质量 流率的增大而增大，随着入口过冷度的升高而降低；论文研究在大量实验数据的 基础上，考虑了质量流速和狭缝尺寸对换热的影响，修正了大空间的r o h s e n o w 关 系式，得到了2 m m 狭缝通道的换热特性关系，修正后的关系式预测值与实验值吻 合良好。通过对实验高速摄像的图像分析，开展了狭缝通道内的气泡动力学特性 研究，给出了壁面过热度、质量流速和流体过冷度对气泡脱离直径、气泡脱离频 率和汽化核心密度的影响规律，以n i l a n j a r i ab a s u 提出的核化沸腾气泡动力学模型 为基础，修正了模型中气泡脱离直径、气泡脱离频率以及汽化核心密度的关系式， 得到更准确描述2 m m 狭缝通道的壁面过冷沸腾核化沸腾模型关系式。 论文研究成果可以推广到对板状燃料组件的热工水力特性的设计和工程分析 中，所得到的过冷沸腾气泡动力学修正模型，可与两相流模型耦合，实现了对狭 缝通道内流动沸腾传热特性的准确模拟。这种应用可视化实验结果进行动力学模 型修正的方法不仅可以扩展到对其他设备或结构的模型研究中，同时所得到的气 泡动力学模型为实现板状元件的c h f 研究打下了坚实的基础。 关键词：狭缝流道：过冷沸腾；气泡动力学：核化沸腾模型 分类号：t k l 2 4 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ec h a n n e li nt h ep l a t ef u e la s s e m b l yo fn u c l e a rr e a c t o ri sc o m m o n l yar e c t a n g l e o n e ，w i t hi t sw i d t h2 - 3 r a m t h ef l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e ri nt h ec h a n n e la p p e a r sa st h e t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h eo n ed i m e n s i o n a lc o n f i n e ds p a c ef o rt h ee x i s t e n c eo fs p a c e c o n s t r a i n t i nt h ep r e s e n ts t u d y ，t h ef l o wa n dt h e r m a lp h e n o m e n ai n t h es u b c o o l e df l o w b o i l i n ga r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l ya n di th a ss i g n i f i c a n tr o l ei nt h ee n g i n e e r i n ga n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h t h es t u d yi nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h ee x i s t i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mo nc i r c u l a r c h a n n e lf l o wb o i l i n g i na d d i t i o n ，at y p i c a ln a r r o wc h a n n e lt e s ts e c t i o ni sd e s i g n e df o r t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h ef l o wa n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fb o i l i n gi nt h em i n i n a r r o wc h a n n e la ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ea r ev i s u a l i z e d ，w i t hd 1w a t e ra st h ew o r k i n g f l u i d f u r t h e rm o r e t h ee x p e r i m e n t sf o c u so nt h ee f f e c to fh e a tf l u x ，f l u i ds u b c o o l i n g d e g r e e ，m a s sf l o wr a t eo fi n l e t ，e t co nt h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ef l o wb o i l i n gi n t h en a r r o wc h a n n e ls y s t e m a t i c a l l y m e a n w h i l e ，s t u d yo nt h eb u b b l ed y n a m i c sc h a r a c - t e r i s t i c si nt h ec h a n n e li sa l s oc o n d u c t e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nt h ei m a g e sr e c 。 o r d e db yt h eh i g hs p e e dc a m e r a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，w i t h i nt h er a n g eo ft h es t u d i e de x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nf l o wb o i l i n gi n c r e a s e sw i t ht h ei n l e t m a s sf l o wr a t ew h i l ed e c r e a s e sw i t ht h es u b c o o l i n gd e g r e e t h er o h s e n o wc o r r e l a t i o n f o rf l o wb o i l i n gi nl a r g es p a c ei sr e v i s e da n dt h eh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o nf o r2 m m n a r r o wc h a n n e li so b t a i n e db a s e do nag r e a ta m o u n to fe x p e r i m e n t a ld a t a i ti sf o u n dt h a t t h er e v i s e dc o r r e l a t i o ni si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ee f f e c to f c h a n n e lw a l ls u b c o o l i n gd e g r e e ，m a s sf l o wr a t ea n df l u i ds u b c o o l i n gr a t eo nt h eb u b b l e d e p a r t u r ed i a m e t e r ，b u b b l ed e p a r t u r ef r e q u e n c ya n dn u c l e a t i o ns i t ed e n s i t ya r eg i v e ni n t h ep a p e rt h r o u g ht h es t u d yo fb u b b l ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s a d d i t i o n a l l y ，t h ec o r r e l a t i o no fb u b b l ed e p a r t u r ed i a m e t e r ，b u b b l ed e p a r t u r ef r e q u e n c ya n dn u c l e a t i o ns i t e d e n s i t yf o rt h em o d e li sr e v i s e db a s e do nt h en u c l e a t i o nb o i l i n gb u b b l ed y n a m i c s m o d e l p r o p o s e db yn i l a n j a r i ab a s u h e n c e ，am o r ec o r r e c ts u b c o o l e d 。n u c l e a t i o nb o i l i n gc o r r e 1 a t i o nf o r2 m mn a r r o wc h a n n e li so b t a i n e d 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t t h er e s u l t si nt h i sp a p e rc a nb eg e n e r a l i z e dt ot h ed e s i g na n de n g i n e e r i n ga n a l y s i s o ft 1 1 et h e r m a l - h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a t ef u e la s s e m b l y m e a n w h i l e t l l eo b r a i n e dr e v i s e db u b b l ed y n a m i c sm o d e lf o rs u b c o o l e db o i l i n gc a nb ec o u p l e dw i t ht h e t w o 。p h a s ef l o wp a t t e r nm o d e lt os i m u l a t et h ef l o wb o i l i n gt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h e n a r r o wc h a n n e la c c u r a t e l y t h i sm e t h o d ，w h i c hu t i l i z e st h ev i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t a l r e s u l t st oa c h i e v et h ed y n a m i cm o d e lc o r r e c t i o n n o to n l yc a nb ee x t e n d e dt ot h em o d e l i n v e s t i g a t i o nf o ro t h e re q u i p m e n to rs t r u c t u r e ，b u ta l s ol a i das o l i df o u n d a t i o nf o rt h e s t u d yo fc h f i nt h ep l a t ee l e m e n t k e y w o r d s ：n a r r o wc h a n n e l ；s u b c o o l e db o i l i n g ；b u b b l ed y n a m i c s ；n u c l e a t i o n b o i l i n gm o d e l c l a s s n o ：t k l 2 4 北京交通大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师杨立新老师细心的指导下完成的，自开题到实验 段的设计与加工，老师都给与我极大的支持和热情地帮助，从而保证了本论文的 研究工作顺利完成。谢谢杨老师的耐心教诲和不倦的指导。导师不仅在学习上给 予我指导，而且在生活上给与了很大的关心和帮助。 同时也特别感谢贾力教授，贾老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我 很大的帮助和影响。感谢张竹茜老师对我的关心。在这里向他们致以最崇高的敬 意和衷心的感谢! 感谢赵楠师兄、谭泽涛师兄和银了飞师兄两年以来在学习和生活上对我的帮 助和支持，感谢师弟帮助。特别感谢管鹏师兄在实验台搭建上对我的帮助。 此外，感谢家人一直给与我的理解和支持。另外，特别感谢王鹏同学，使我 研究生阶段过得充实而开心。 最后诚挚地感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家，谨以此篇感谢所有帮助过 我的人，真诚地谢谢你们。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会的发展，能源成为人们越来越关心的问题，相对节约和清洁的核电 越来越受到人们的重视，核电技术的发展也得到了很大关注。由于板状元件的结 构紧凑性特点，板状燃料组件在可移动的核动力反应堆中受到更大的关注。板状 燃料组件内的流道形状通常是一种狭窄的矩形通道，通道狭缝宽度一般为 2 - 3 m m 【l j ，有的甚至小于2 m m ，长径比很大。研究发现，由于狭缝尺度效应，这 种通道的传热效应较常规流道传热效应要强，因而从单位堆芯体积内的传热面积 来看，板状燃料元件优于棒状燃料元件【2 3 】，经济性比较好。 板状燃料组件内，狭缝流道所引起的流动不稳定性和临界热负荷都会威胁到 核动力装置的安全运行，所以在反应堆热工水力分析中，充分掌握板状燃料组件 内狭缝流道的流动特性和换热规律对燃料组件设计非常重要，狭缝流道内过冷流 动沸腾阶段的气泡演化特性对堆芯换热及流动特性有着重要的影响。因此有必要 对对矩形狭缝流道内流体的过冷沸腾流动和传热特性进行深入的研究，以期为堆 芯的热工水力研究提供一定参考。 板状燃料组件通道内高温高压流体从进口的单相流动逐步演化到出口的过冷 沸腾汽- 液两相流动，甚至在特定的工况下会达到c h f ，而导致元件烧毁。由于矩 形通道在狭缝方向上尺度较小，一维受限的空间尺度导致通道内流动传热特性， 尤其是沸腾特性与一般尺度的矩形通道流动传热具有较大的区别。研究发现，细 小流道造成了气泡动力学特征与池沸腾或非细小流道内的情况有很大差异，流动 沸腾换热系数与大通道相比有较大提高【4 5 1 。通道内的沸腾现象以过冷沸腾为主导， 过冷沸腾通常是沸腾换热的起始阶段，该阶段存在着气泡动力学与热力学不平衡， 到目前为止仍有许多现象、规律还没有得到很好地解释。 由于流动沸腾换热在细小通道内出现的一些独特现象，以及狭缝空间沸腾换 热独特的优势，越来越多的研究者开始关注和研究狭缝空间内的流动与传热特性， 课题的研究具有重要的工程意义和科学价值。 1 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 传热机理的研究 对于过冷沸腾的研究最早可以追溯到1 9 6 7 年b a n k o f f 和s tp i e r r e 对垂直矩形 流道内的两相流参数空间效应的研究。随后，一些学者展开了对各种尺寸、形状 的流道内传热强化、气泡动力学和空泡份额分布等特性的研究，并取得了一些成 果。 19 6 9 年，i s h l b a s h i t 6 j 等对单侧加热的环形流道内的饱和沸腾进行了实验研究。 流道的间隙宽度是6 = 0 9 7 2 0 m m ，试验压力有1 、2 、4 、1 1m p a ，并采用多种工质， 包括酒精、水、皂角泔水溶液和油酸钠水溶液。研究表明，在常压下，水和酒精 在流道尺寸减小时可以显著强化换热。其中，水工质在6 3 m m 时，加热流道面上汽化核心比较多，此时沸腾区多是孤立气 泡，换热系数比常规流道大的不多，并且得到a o o ( q 2 门矿1 3 、) 。用不同浓度的水进 行了液体表面张力对换热系数的影响的研究，得到在孤立气泡区换热系数随着表 面张力的下降而增大，在聚合气泡区对换热系数没有明显影响。此外对压力对换 热系数的影响进行了试验研究，研究结果表明，当流道尺寸为0 5 7 m m ，压力小于 4 m p a 时，此时流道内多是聚合气泡，随着压力的升高换热系数有所降低，并且得 到a o o p 叱5 ，这与常规流道内的变化规律是相反的。 黄鸿鼎【_ 7 j 等对窄缝间隙为2 m m 的环形流道和圆管进行了高粘性液体和水的换 热实验研究。研究结果表明，环缝流道内的总传热系数比圆管提高了6 0 ，局部换 热系数平均提高8 0 。 辛明道【8 】等在微矩形流道内进行了强迫对流换热试验研究。流道有六个尺寸， 槽道的尺寸范围是宽0 1 5 0 8 m m ，深o 9 - - 2 7 m m 。研究结果表明，流动临界雷诺 数在冷态的条件下是1 4 0 0 1 8 0 0 ，水的强迫对流换热系数平均值为6 6 7 k w ( m 2 k ) 。 高刚等【9 】进行了常压下垂直环缝流道内双面加热流动沸腾的实验研究。工质是 r 1 1 3 ，环缝尺寸是长度1 7 m ，缝宽为2 和2 7 m m ，结果表明，环缝流道内的换热 系数是圆管内的1 7 5 倍，实验中发现流动有强烈不稳定。 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 苏顺玉，黄素逸【lo j 进行了常压下间隙尺寸为l m m 的环形窄缝流道内的沸腾换 热试验研究，工质是蒸馏水。得到了单向对流传热和过冷沸腾传热的实验数据， 并与大空间流道内的换热关系式d i t t u s b o e l t e r 关系式计算结果比较。分析结果显 示，狭缝流道内的过冷沸腾比大空间流道内的强制对流换热系数大，而且狭缝流 道中的换热系数受质量流速的影响比较大。受狭缝尺寸的影响，在雷诺数很低的 单相强制对流换热区内表面换热系数和与狭缝相同当量直径的圆管内的雷诺数比 较大的紊流流动表面传热系数量级相同。而且在过冷沸腾区的换热系数比单相对 流区的换热系数还要强，说明了环缝流道内的流动沸腾换热与圆管相比得到了很 大的强化。在相同热流密度条件下，随着质量流速的增大过冷沸腾的对流表面换 热系数随之增大。 杨瑞昌教授的课题组对过冷沸腾的研究在国内处于领先地位，成果突出【1 1 】， 课题组对自然循环时过冷沸腾起始点相关问题进行了试验研究，工质是氟利昂。 并对过冷沸腾起始点建立了动态数学模型，与传统的静态模型具有确定的数学关 系相比有很大进展。分析结果表明，在自然循环条件下对过冷沸腾起始点有影响 的因素中作用大小依次为：压力、流量、流体温度、进口干度和加热功率等。此 外，文献 1 2 , 1 3 , 1 4 中介绍了用于计算过冷沸腾下的真实含气率的非线性热平衡方程； 根据在沸腾流道内存在饱和沸腾起始点和过冷沸腾起始点这两个拐点的理论，针 对高入口过冷度和低入口过冷度条件分别提出了计算真实含气率的模型，而且还 提出了计算饱和沸腾起始点和流道内流体温度的关系式。 贾晓鸿【1 驯等对水平矩形狭缝流道进行了水的两相流动摩擦压降特性实验研究， 缝隙尺寸为2 5 m m ，1 8 m m 和1 0 m m ，并对实验数据用均相流模型进行处理，修 正了相应的经验关系式。研究结果表明，因为通道尺寸对两相摩擦压降倍增因子 的影响，原有的两相流模型关系式预测结果与实验结果吻合的不是很好。用实验 数据对m s h i m a 公式进行拟合，实验结果与拟合得到的两相流模型关系式的预测值 吻合较好。 许多学者都做了此类的实验，对狭缝通道和细小通道领域内的流动特性和沸 腾换热特性取得了很多成果。在沸腾换热方面尤其显著，大量的实验数据分析了 流道材料、流道形状、流道间距、工质特性和压力等因素对狭缝通道和细小通道 内的流动和换热的影响，提出了很多实用的理论。 3 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 2 2 壁面核化沸腾的研究 人们在过去的一段时间内认为壁面核化沸腾时壁面上的热量传入流体是通过 液体汽化吸热和液体单相对流传热两种机理实现的。为准确了解壁面核化沸腾传 热机理对活化核心和它附近区域内的传热分析是必要的。 研究结果表明，活化核心并不会一直产生气泡，只有满足一定条件的活化核 心才会产生气泡。气泡的生长周期可以分为两阶段：气泡等待时间( b u b b l ew a i t i n g t i m e ) 和气泡生长时间( b u b b l eg r o w t ht i m e ) 。在同一个活化核心位置一个气泡脱离距 离下一个气泡开始成核的时间间隔称为气泡等待时间。气泡从成核到脱离所经过 的时间称为气泡生长时间。当气泡脱离后，壁面上气泡原来占据的空间会由脱离 气泡周围的液体来填充。过热的壁面会与温度比较低的补充来的液体之间形成激 冷效应，此效应会持续到下一个气泡成核为止。由此可见，激冷效应在传热本质 上是非稳态液体导热。所以，激冷传热和汽化传热是交替出现在活化核心及其附 近区域的两种不同传热机理。除了这个区域，壁面上其他区域均被液体覆盖，液 体单相对流传热为主要传热方式。综合上述分析可知，壁面核化沸腾表面上有三 种传热机理：液体的非稳态导热、液体汽化传热以及液体单相对流传热。壁面单 位面积内传入流体内的热通量分别定义为激冷热通量g 。，汽化热通量g ，以及对流 热通量g ，则以上三者之和即为在壁面单位面积传入流体的热通量q ，表示为： q 2 q o + 吼+ 吼 在气泡离开加热壁面以后补充来的液体与过热壁面之间产生的激冷效应会影 响到这个活化核心附近壁面的传热。这个激冷效应所影响的区域被称为气泡影响 n ( b u b b l ei n f l u e n c e da r e a ) ，这个部分的面积通常表示为脱离瞬间气泡在壁面上投影 面积的k 倍，于是单位壁面气泡影响区的大小4 为： 4 = ，2 k i 2 矽 ( 1 - 2 ) 其中，k 是比例系数：n 为活化核心单位壁面面积内的数量，称为活化核心密 度( t h ea c t i v es i t ed e n s i t y ) 。、 4 北京交通大学硕士学位论文绪论 比例系数k 在文献中的取值通常为k = 4 【1 6 】。分析可知，k _ 4 的成立有一个前提 条件，即壁面上产生的气泡没有重复和交叉的现象，都是相互独立的，壁面上两 个相邻的活化核心之间的最小距离应该为气泡脱离直径的二倍。但是，当热通量 增高时，气泡之间不可避免的要出现相互交叉重叠的现象。为此，k e n n i n g 禾1 v i c t o r 1 7 】 的公式考虑了气泡之间可能出现的交叉与重叠影响： 一脚( 一鲁) 式中，比曲为与近壁面液体过冷度乙( 乙= 乙- t , ) 相关的j a c o b 数。 地。：丝些 p v h 瞻 固体壁面上除了气泡影响区，其余部分被液体完全覆盖，面积分数4 为： a 。= 1 一a q ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 从上面的分析看出，流动通道内的气相主要来源于加热壁面的核化沸腾。对 壁面核化沸腾传热传质模型研究的关键是对气泡的形成过程及脱离影响因素等相 关参数进行定量描述。其中比较重要的参数有汽化核心密度、气泡脱离频率以及 气泡脱离直径等。 在过去的很长一段时间内，学者们对各种高沸点液体的流动沸腾换热和各种 低温液体的池沸腾核化沸腾换热进行了大量的实验研究和分析，获得了许多试验 参数范围内的半经验及经验关系式。表1 1 、表1 2 和表1 3 对以往学者得到的各种相 关公式做了归类处理，表中各系数的定义参见各文献，这里不再赘述。 5 北京交通大学硕士学位论文绪论 表1 1 气泡脱离直径计算公式 作者表达式建立条件 低温液体 吴玉庭1 8 3 吃矽= c ， 仃 、j a 5 4 vg ( p t a ) 池沸腾 水 u n a l 1 9 】 吃矿= 2 4 2 x 舶1 0 - s p 0 7 0 9 口 流动沸腾 巩，= 1 3 ( s i n o ) n 4 0 1 3 e x p ( 一1 7 5 x 1 0 。4 r e ，) + 0 0 0 5 水 b a s u 【2 0 ，2 1 j r 吱0 u p 4 5e x p ( 0 0 0 6 5 j a , 曲) 丘 流动沸腾 ，、no 水 k o c a m u s t a f a o g u l l a r i t 2 2 1= 2 5 x 1 0 。 p l _ p g 弋8 叮 &j 、jg ( 岛- p g ) 流动沸腾 水 t o l u b i n s k y 【2 3 】 d 肌= m i l l o 0 0 6 唧( 一等) ，0 0 流动沸腾 低温液体 k i d c h e n k o 2 4 , 2 5 1 = c 寿a ，吐 1 3 池沸腾 6 北京交通大学硕士学位论文 绪论 表1 2 气泡脱离频率计算公式 作者 表达式建立条件 f ：上 t g + f w 水 b a s u 2 0 , 2 h 乙= 1 3 9 i ( a t 1 ) 流动沸腾 t g - 4 5 c t j a s u pe x 铲p ( 删) 水 s t e p h a n 2 6 】 = 三岛( + 磊4 0 鬲 流动沸腾 c o l e 2 7 】，一 4 9 ( p j 一岛) 水 户、j 3 吃岛 池沸腾 水 l v e y 2 8 】 舢9 压 池沸腾 低温液体 c b e w i l o g u a 【2 9 】 2 d 2 一6 池沸腾 7 北京交通大学硕士学位论文绪论 ，0 5 低温液体 g r i g o r y e v 3 0 1 2 o 5 + ( 乃九) 池沸腾 低温液体 r a m m i n g t 3 l 】 f = c a t , 印 池沸腾 表1 3 气化核心密度计算公式 作者表达式建立条件 低温液体 q 一吼。 吴玉庭m 3 玎2 ( 一吼。) 砌+ j a 吆万硝3 池沸腾 水 l e m m e r t 3 2 】 船= 2 1 0 ( 瓦一乙) r 5 流动沸腾 k o c a m u s t a 厂( p + ) _ 4 4 水 f a o g u l l a r i 【2 2 】 玎2 、j i “6 彤 流动沸腾 8 北京交通大学硕士学位论文绪论 高温液体 c 【3 3 】 删e 坤( 忐 池沸腾 制冷剂 w a n g 3 4 】 ，2 = 7 8 1 x 1 0 。2 9 ( 1 一c o s o ) 霹0 池沸腾 制冷剂 b e n j a m i n t 3 5 1 玎翊8 埘6 3 m 4 峨 池沸腾 n = o 3 4 x 1 0 一( 1 - c o s o ) a t 孑d , l 过热液体层 内液体温度t 1 实验段压力下的饱和温度t s 过冷主流区域的温度t 1 。气泡底部与 加热壁面之间有一层很薄的微液膜，称为微层蒸发区。气泡与加热壁面的接触角 为。随着时间t o 、t 1 、t 2 气泡长大。 4 】 北京交通大学硕士学位论文 矩形狭缝流道内气泡核化沸腾模型 固体壁面有足够的过热度是气泡形成的一个重要条件。t h o m c r o f l 5 1 1 、 k a n d l i k a r 5 2 禾1 b a s u 5 3 1 等学者指出，当固体表面形态一定，其平均核化核心口径假 定是d 。，则固体壁面形成气泡的最低的壁面过热度可以下面公式来计算： = 砺2 g t ( 4 - ) 图4 1 气泡在竖直向上的流道内生长模型示意图 对过冷沸腾流动沸腾中壁面上气泡的长大过程作如下假设： 理想气体，温度为饱和温度，压力为： 2 0 气泡内的气体为 风= a + 一 ， 式中，p 。和p ，分别为气泡外液体和气泡内气体的压力，p a 。 在上面的假设下，气泡的生长机理可用下面两个数学模型来说明： ( 1 )泡底微层蒸发模型 ( 4 - 2 ) 大量实验研究表明，在气泡生长过程中，有一层很薄的液体微层存在于气泡 底部和壁面间。泡底微液层内蒸发进入气泡的质量使气泡不断长大，对气泡生长 起到了极其重要的作用。假设在该液层中的温度分布为线性分布，使微液层表面 蒸发的热量由微液层单相导热而来，则由傅里叶导热定律有： 4 2 北京交通大学硕士学位论文 矩形狭缝流道内气泡核化沸腾模型 g = 无华( 4 3 ) d 其中，万为泡底微液层的厚度，单位为r n ；旯为泡底微液层过热液体的热导 率，单位为w m k 一；兀和瓦分别为气泡内部蒸汽及壁面温度，单位为k 。 则微液层表面进入气泡的蒸汽质量流速g 为： g f = g 吆 ( 4 - 4 ) 其中，q 为通过微液层蒸发传递的热通量，单位为k i t 肌- 2 ；h 詹为汽化潜热， 单位为u 蛔。1 由于几何尺寸影响，狭缝流道中的气泡当长到一定大小时在流道宽度方向上 受压被拉伸，多呈扁平状气泡。拉伸后的气泡与壁面的接触面积增大了，也增大 了气泡底部液膜的面积，接触时间增加，加大了液膜蒸发量，增强了换热。气泡 受压拉伸后气泡底部的过热液膜厚度减小，从而沸腾换热系数加大。此外，狭缝 通道内的热边界层的厚度也因为单位体积流体的受热面积增大而减小。 ( 2 )汽一液界面传质模型 气泡生长初期( t o ) ，气泡直径较小，气泡整体处于过热液体层内，微层蒸发区 和过热液体层温度都高于气泡内部温度，气液界面不断蒸发为蒸汽流入气泡内部， 使气泡长大。气泡生长中期( t 1 ) ，气泡长大到一定尺寸，气泡项部处于过冷主流区 域内，过冷主流区域内液体温度低于气泡内部温度，气泡顶部受冷使气泡凝结， 但是由于气泡裸露在过冷液体里面积比较小，生长速度大于凝结速度，气泡整体 还是长大。气泡生长后期( t 2 ) ，气泡裸露在过冷流体里面积比较大，凝结速度和生 长速度相当，气泡直径从增长缓慢到不变。综上所述，气液界面的质量流速流速 为： 乳去蚓吼旁一吒砉i m 5 ， 其中尺为气体常数，m 为气体摩尔质量，正为气液界面处的液体温度，只为 液体温度乃所对应的液体饱和压力，只为气泡内蒸汽压力，t 为界面蒸发系数， q 为界面凝结系数。一般认为平衡态条件下吒= q 。当g 0 时，气液界面有净质 量流入气泡，气液界面发生蒸发。当g 0 时，气液界面有净质量进入液相主流， 气液界面发生凝结。 4 3 北京交通大学硕士学位论文 矩形狭缝流道内气泡核化沸腾模型 4 1 2 核化沸腾气泡脱离机理 许多学者对沸腾气泡运动行为的研究进行了大量的工作，但由于气泡行为的 不确定性与沸腾操作的复杂性，研究结果普遍适用性不高，研究工作都有待深入。 近年来，k l a u s n e r 等人采用高速摄影手段对垂直壁面上液体流动沸腾时沸腾气泡 的动力学进行了研究，通过对气泡参数的测试建立了气泡的受力模型。由于垂直 壁面上气泡的运动行为要考虑重力的作用，所以与水平壁面上是有明显不同的。 本文研究垂直加热面上流动沸腾气泡的运动特性，气泡的受力分析见下图： 图4 2 气泡在竖直向上的流道壁面上的受力图 如上图所不，垂直壁面上的气泡共受六个力的作用：内部压力产生的作用力 互。、浮力f b 、流动曳力c 、表面张力c 、剪切升力只，及膨胀阻力v r , 。 内压作用力吒：方向垂直于壁面： 曩。2a 。；。玩( 4 - 6 ) 浮力e ：由重力作用和气泡内外的密度差引起。 e = ( 局一岛) 圪g ( 4 - 7 ) 流动曳力：由气泡周围流过的流体绕流产生。 c = c d i l 岛 ，2 ( 4 - 8 ) 表面张力c ：液体表面张力使壁面阻碍气泡脱离。与泡膜方向相切，作用力 点在接触环匕。 北京交通大学硕士学位论文矩形狭缝流道内气泡核化沸腾模型 剪切升力只i 由于绕流过气泡的液体在近壁面处的速度低于流道中心处的速 度，产生的静压力小于流道中心处引起。 膨胀阻力兄：气泡在生长过程中，受到来自液体的阻力有：液体的表面能和 运动形体阻力【5 4 】。 由上述分析可得，浮力、流动曳力、剪切升力是促使气泡脱离的动力；膨胀 阻力、表面张力、内压作用力是阻碍气泡脱离壁面的阻力，这六种力随不同的物 性参数及流动条件不断变化，促使气泡脱离直径、汽化核心密度和脱离频率的不 断变化。 4 1 3 核化沸腾气泡的可视化 本实验采用高速摄像仪来拍摄实验段内气泡在加热壁面上的生长特性和脱离 特性。运用m a x t r a q 软件对c c d 高速摄像仪拍摄下来的视频进行定帧处理并分 析，确定气泡从壁面上的脱离直径、脱离频率和汽化核心密度。下面是图像的采 集及处理方法： l l j气泡脱离直径 由于对气泡的拍摄是从垂直于加热壁面的方向进行的，在加热壁面上生长的 气泡会受到来流流体的流动冲刷，导致气泡会在流动方向上有一定的倾斜。从拍 摄的图片上看气泡是一个向流动方向上倾斜的椭球体。因此拍摄的图片反映的椭 球体是气泡在加热壁面上的投影。而且通过对采集到的图片观察发现，拍摄得到 的气泡并非规则的椭球形，总会在某些方向上有所凹凸：因此最好的计算方法是 计算相同面积下的当量气泡半径。利用p s 软件，气泡的像素大小除以每平方厘米 的像素大小即为气泡的面积。如图4 3 所示，气泡的像素为2 4 1 4 ，而分辨率为3 7 8 像素厘米，利用公式：气泡像素分辨率2 = 气泡所占面积。为了保证测量精度， 通常对上述办法测量三次取平均值。然后气泡的当量半径可通过以下方法计算得 到： d = 氍 4 5 ( 4 - 9 ) 北京交通大学硕士学位论文矩形狭缝流道内气泡核化沸腾模型 又挡大小： 宽度( d ) ：8 8 9 高度( g ) ：4 4 2 分辨率( r ) ：3 7 ，8 ：蓁 ： 馥 厘米 ，- j 像素厘米， 乏缩敢样式( y ) 翟约束比例( c ) 烫重定图像像素( i ) ： 两次立方( 适用于平滑渐交) 图4 3 气泡直径钡0 量方法不蒽图 上面处理后得到的面积只是图片上气泡的面积，要得到实际气泡尺寸必须知 道所拍摄图片的放大倍数。在每次拍完录像后在不动镜头焦距的前提下对镜头前 的游标卡尺进行拍摄，游标卡尺的放大倍数即为所拍摄图片的实际这种方法能够 保证很高的精度。 此外，在测量气泡尺寸时，计算的气泡必须是孤立的，即它从核化生长到脱 离的过程中都没有受到其它气泡的影响，没有碰撞、聚合等现象。需要选取某一 工况下的典型气泡来测量；每个工况下至少选取1 5 个典型的气泡，再取其平均值 来定量研究气泡的特性。 1 2 l气泡脱离频率 气泡频率采用手工计数方法进行统计和分析：首先采用多媒体软件将各工况 下采集到的气泡图片慢速播放，然后分别统计拍摄的图片内同一个活化核心在固 4 6 北京交通大学硕士学位论文 矩形狭缝流道内气泡核化沸腾模型 定时间内气泡脱离的数量，脱离气泡的数量除以时间，即为气泡脱离频率。然后 再取视野内所有活化核心点脱离频率的平均值即为此工况下气泡脱离频率。 1 3 )汽化核心密度 汽化核心密度是研究核化沸腾的一个关键参数。在沸腾换热中壁面热流密度 的预测、沸腾起始点的判定、换热稳定性判定和避免出现临界热流密度都有很重 要的作用。目前确定气化核心密度有两个方法：一种方法是在拍摄的气泡图片上 人工级数得到总的脱离气泡的个数，然后除以脱离气泡区域对应的实际加热壁面 面积。第二种方法是