流道间隙对单蒸汽泡运动速度的影响

张利琴 黄彦平 昝元锋 王俊峰

摘   要：流型是大量汽泡运动的统计平均，流道间隙对单蒸汽泡运动特性影响明显，窄缝流道的尺寸效应是影响蒸汽-水两相流流型形成与演变的关键因素之一。过冷条件下，对窄缝通道内单蒸汽泡运动速度进行了实验研究，分析了流道间隙对单蒸汽泡运动速度的影响。实验结果表明：过冷条件下，流道间隙越小，单蒸汽泡冷凝越快，单蒸汽泡纵向速度和横向速度明显减小。

关键词：单蒸汽泡  行为特性  流道间隙  热工水力

中图分类号：TQ051                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0102-02

Abstract： Flow regimes are behavior assembly average of plenty of single bubbles. Channel gap affect behavior of single vapor bubbles obviously. The channel gap is one of the key parameters to affect formation and evolution of flow regimes of vapor-water two phase flows. Experimental study was carried out on behaviour of single vapor bubbles under subcooling conditions in a narrow channel. The effect of channel gap was analyzed. Results showed that condensation rate of single vapor bubbles increased as the channel gap decreasing under subcooling conditions. Meanwhile， Longitudinal and lateral velocity of single vapor bubbles decreased obviously.

Key Words： Single vapor bubble;Behavior;Channel gap;Thermal hydraulics

窄縫通道具有相对简单的结构以及相对较大的比表面积，换热性能得到了增强，被越来越多地运用在具有小体积、高换热效率的换热系统中，如先进核裂变反应堆系统、电子器件冷却系统、聚变反应堆系统等。窄缝通道内两相流流动传热计算，需首先确定流型。两相流流型，是大量汽泡行为的统计平均，为深入了解窄缝通道内蒸汽-水两相流过冷沸腾流型形成及转变机理，构建相应的流动传热模型和流型转变准则，需对窄缝通道内单蒸汽泡的行为特性进行研究。

当前，已有的文献显示，绝热条件下，小直径有机单蒸汽泡的纵横比[1]、上升速度[1，2]、尾流特性[3，2]和氮气泡、空气泡差别不大;过冷条件下，冷凝使得单蒸汽泡运动速度增加，且产生了侧向速度梯度和侧向漂移，进而影响了汽泡的温度梯度和寿命[4-5]。上述研究中，蒸汽泡边界与流道壁面不接触，窄缝通道壁面对单蒸汽泡运动无影响。窄缝通道作为常规通道和微通道的过渡，数值模拟结果显示通道的尺度变化对汽（气）泡运动特性的影响非常显著[6]，研究窄缝通道内流型形成和演变，有必要分析窄缝通道的尺寸效应对单蒸汽泡运动特性的影响。本文实验研究了窄缝通道内，流道间隙对单蒸汽泡运动特性的影响。

1  实验方法

1.1 实验装置和实验方法

实验回路由除氧水箱、文丘里流量计、出口水箱、循环泵、实验本体和阀门组成，本实验为静止工况。实验本体内饱和温度的去离子水静止后，注入由纯蒸汽，通过阀门关断，获得不同直径大小的蒸汽泡，通过高速摄像仪拍摄单蒸汽泡在窄缝通道内的冷凝过程。

实验流道采用窄缝通道结构，流道宽60mm，长950 mm，流道间隙为1mm，2mm和3mm，实验压力为常压，过冷度为1.5K，2.0K和2.5K流体为静止状态，用体积当量直径描述单蒸汽泡的大小，单蒸汽泡体积当量直径范围为4～28mm。流道竖直方向为纵向，即Z向，流道宽面方向为横向，即X向。

2  结果与讨论

2.1 单蒸汽泡纵向速度

首先分析不同过冷度下，流道间隙对单蒸汽泡z向速度的影响。实验结果显示，1.5K过冷度下，流道间隙减小引起单蒸汽泡z向速度减小;2.0和2.5K过冷度下，流道间隙减小，会出现部分蒸汽泡的z向速度不降反增的现象。流道间隙减小会引起散热损失增大，由于过冷度增大单蒸汽泡z向速度会增大，因此2.0和2.5K过冷度下，流道间隙减小，出现部分蒸汽泡的z向速度不降反而增加的根本原因不是流道间隙减小引起，而是散热损失增大导致。2mm和1mm间隙流道内，因散热损失较大，2.0和2.5K过冷度时，过冷度实测值已经不能表征真实的流体和蒸汽泡的热力学状态，实际过冷度要低于实测值。1.5K过冷度下的1mm和2mm间隙流道内的实验数据相比，1mm间隙流道内单蒸汽泡的z向速度值小于2mm间隙流道，体现了流道间隙的影响，散热损失的影响小于流道间隙。

2.2 单蒸汽泡横向速度

1.5K和2.0K过冷度下，流道间隙的减小明显引起单蒸汽泡x向速度的减小;2.5K过冷度下，流道间隙减小，单蒸汽泡的x向速度变化不大，这是因为流道间隙减小引起的散热损失增大对x向速度的增强效应与流道间隙减小对x向速度的削弱效应相当。

3  结语

本文对窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡行为特性进行了实验研究，主要结论如下。

（1）单蒸汽泡界面发生冷凝，蒸汽泡尺寸不断减小，大小和形状不断改变;流道间隙减小，蒸汽泡冷凝速率增大;

（2）流道间隙减小，单蒸汽泡纵向速度和横向速度均由明显的减小，流道壁面的约束效应增强，在1mm间隙左右，发现显著改变，此间隙附近存在临界流道间隙。

参考文献

[1] Vassallo P F， Symolon， P D， Moore， W E， Trabold， T A. Freon bubble rise measurement in a vertical rectangular channel[J]. Journal of Fluid Engineering，1995（117）：729-732.

[2] 宋明亮.竖直窄缝通道空气泡与蒸汽泡运动特性研究[D].中国核动力研究设计院，2013.

[3] Celata G P， Cumo M， Annibale F D， Tomiyama A. Terminal bubble rising velocity in one component systems. 39th European Two-Phase Flow Group Meeting， Aveiro， Portugal， 18–20 June， Paper F3， 2001， 1-11.

[4] Pan L M.， Tan Z W， Chen  D Q ， Xue L C. Numerical investigation of vapor bubble condensation characteristics of subcooled flow boiling in vertical rectangular channel[J]. Nuclear Engineering and Design，2012（248）：126-136.

[5] Jeon S S， Kim S J， Park G C. Numerical study of condensing bubble in subcooled boiling flow using volume of fluid model.[J]. Chemical Engineering and Science，2011（66）：5899-5909.

[6] 李維仲，赵大勇，陈贵军.竖直流道宽度对气泡运动行为影响的数值模拟[J].计算力学学报，2006，23（2）：196-201.