加热面朝下的池沸腾汽泡动态行为研究

钟达文，史昊鹏，孟继安，秦天骄，张 显，刘 赟

(1.华北电力大学 非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206；2.清华大学 航天航空学院，北京 100084；3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

日本福岛核事故后，压力容器外部冷却技术成为新建压水堆核电站严重事故管理中必备的措施[1-3]。其工作原理在于当压水堆核电站发生堆芯熔化事故时，通过非能动方式向反应堆腔室注水，使压力容器底部下封头淹没，在压力容器外部发生池沸腾换热冷却压力容器内部熔融物，从而保证压力容器的结构完整性。国内外已开展了大量研究旨在提高压力容器外表面的临界热流密度(CHF)，然而对加热表面朝下的汽泡动态行为及其对CHF影响的机理缺乏深入的研究。

实验研究发现，加热面朝下的沸腾换热的CHF随着倾角的增大而增大[4-7]，同时Yang等[8]和Howard等[9]发现CHF随着倾角的减小存在“转折角效应”，即当倾角小于某一值时，CHF会迅速下降。汽泡在加热表面朝下的停留时间与沸腾危机的触发机理具有直接关系。钟达文等[7]通过可视化发现朝下沟槽结构表面高热通量时在不同倾角下的汽泡运动形态可分为蒸汽膜结构和波浪蒸汽层结构，两种汽泡结构有不同的脱离周期。通过高速摄像机捕捉汽泡动态行为，并通过图像处理技术提取和分析汽泡行为是近年来发展的新技术。Pham等[10-11]采用背光布置通过高速摄像机研究了模拟3×3沸水堆燃料棒束布置的环形两相流，利用图像处理分析了气液截面的动态行为特征，获得了液膜平均厚度、高度、速度等数据。Chang等[12]研究了单个汽化核心的汽泡脱离直径和脱离频率等规律。徐建军等[13]采用高速摄像机从宽面和窄面立体可视化观察了滑移汽泡间的聚合特性。陈德奇等[14]对窄空间内自然对流条件下的沸腾空泡演化行为进行了可视化实验研究，得到了不同热流密度下的汽泡生长特性曲线。Beck等[15]采用图像处理技术研究了朝下半球外表面膜态沸腾过程中汽膜的动力学行为，汽膜厚度随过冷度的增加和倾角的减小而减小。Cheung等[6]实验发现朝下半球表面汽泡脱离频率约为4 Hz。Gopal等[16]利用数字图像处理技术对气液两相流中弹状流的局部速度和空泡份额进行了定量研究。Dinh等[17]利用预处理(新建背景和降低噪声)、边缘检测(提取汽泡边缘和边缘增强)，提取了气液两相流中泡/弹状流的汽泡结构。薛艳芳等[18]采用数字图像处理技术和高速摄像技术研究了反应堆压力容器下封头外部冷却过程，分析了不同工况下沸腾汽泡的界面演化、汽膜厚度、沸腾循环周期等汽泡行为特征。

综上所述，国内外利用图像处理技术研究汽泡的动态行为主要集中在泡状流和弹状流流动过程中或孤立汽泡的动态行为，加热表面朝下的汽泡动态行为研究主要集中在朝下半球曲面。然而针对朝下平板表面的汽泡动态行为研究较少。本文拟采用图像处理技术研究加热平板表面朝下的沸腾过程中汽泡脱离周期、汽膜厚度和脱离速度等行为特征，为加热表面朝下沸腾换热机理提供定量化分析。

1 实验装置及图像处理方法

1.1 实验装置

实验装置由实验件系统、操作条件控制系统、数据采集系统等组成，图1为实验装置和实验件示意图。实验件系统包括可旋转水箱和实验组件，其中可旋转水箱设置有5个观察窗，可方便地在任意倾角观察实验件表面的沸腾状况。实验组件密闭安装在旋转水箱中可360°旋转，实验件为带电加热棒的方形紫铜块(100 mm×100 mm×75 mm)，内插24根功率为1 kW的电加热器，24根电加热器分4组均匀布置以保证热流密度均匀，沸腾换热表面为图中铜块最底面，尺寸为100 mm×100 mm。通过高速摄像机采集汽泡动态过程，采集频率为500 Hz，分辨率为1 280×1 024像素。

图1 实验装置(a)和实验件示意图(b)Fig.1 Experimental apparatus (a) and test section diagram (b)

1.2 图像处理方法

实验表面为沟槽结构表面，沟槽宽度为1 mm、深度为1 mm、间距为2 mm，在饱和水中对其进行沸腾换热实验，获得了CHF随倾角的变化规律，CHF随倾角θ的增大而增大，θ=5°时测得的CHF为956 kW/m2；θ=90°时，CHF最高达到2 075 kW/m2。具体结果分析可参考文献[7]。θ=5°、换热表面的热流密度q=945 kW/m2时的沸腾换热汽泡行为如图2所示，此时的沸腾处于核态沸腾区。0 ms时加热表面处于1个大汽泡脱离的末期，加热表面开始长出聚合的汽泡，而后一直到200 ms汽泡逐渐长大并在朝下表面伸展开来，当汽泡的尺寸超过朝下表面的尺寸后，240 ms时汽泡开始脱离，280 ms图像中可清晰看到汽泡向上脱离。320 ms时大汽泡已完全脱离加热表面，下一个汽泡开始生长，如此周而复始。

针对加热平板表面朝下的沸腾换热过程的汽泡动态行为，基于Matlab软件开发了图像处理分析程序。通过视频处理软件将所拍摄的视频按每帧提取获得清晰的图像，同时选取背景图像，以便后期进行运算。图像处理过程分为3个部分：1) 预处理部分，首先读取视频提取图像(即目标图像)和背景图像，获取目标图像的几何结构信息；2) 数字图像的处理部分，将目标图像与背景图像进行差运算，然后对图像进行预处理，消除图像的噪声，再将图像进行二值化处理，填充缺损的汽泡，检测汽泡的边缘，获得完整的汽泡结构；3) 汽泡特征参数提取部分，通过气液界面捕捉，获得汽泡的脱离周期、脱离速度和汽膜厚度。采用图像处理分析程序对图2中的图像进行处理后得到二值化的汽泡结构，如图3所示。为避免非加热表面下方停留的汽泡对数据的干扰，图像处理程序只提取了加热表面下方的汽泡信息，而非将加热表面下方的汽泡通过背景图像运算消除掉。

电加热器尺寸、热电偶插孔孔径以及插孔与换热表面的距离使用游标卡尺测量，测量精度为±0.02 mm，热电偶测温的测量精度为±0.5 ℃，实验过程中的误差主要来自于晶闸管整流器调节功率所造成的波动和热电偶测温误差。热流密度的不确定度为4.0%。表面温度的不确定度为5.0%。高速摄像机图像分析表明，图像精度为0.2 mm/像素，汽膜厚度的精度取决于两个因素：高速摄像机图像基于像素的尺寸标定的准确性和气液界面的测定，借鉴文献[15]的分析方法，蒸汽层厚度的不确定度小于10%。

图2 θ=5°、q=945 kW/m2时的沸腾换热汽泡行为Fig.2 Bubble dynamic behavior with q=945 kW/m2 and θ=5°

图3 θ=5°、q=945 kW/m2时二值化处理后的汽泡Fig.3 Binary image of bubble dynamic behavior with q=945 kW/m2 and θ=5°

2 结果分析与讨论

为获得汽泡脱离周期，须提取覆盖在加热表面下的汽泡的面积，通过汽泡在加热表面下占有的面积波动情况来计算汽泡的脱离周期。本文将汽泡所占用的面积除以加热表面的长度定义为汽膜厚度。选择分析时间段为8 s，8 s内可包含数十个汽泡脱离周期。图4为θ=5°、q=945 kW/m2时汽膜厚度和汽泡脱离速度随时间的变化规律。汽膜厚度的平均值约为40 mm，最小值为16 mm，最大值为67 mm，由于加热表面处于旺盛的核态沸腾区，加热表面始终有汽泡周期性地产生、聚合、向四周扩散，最终脱离。通过统计8 s内汽膜厚度的波动周期可得到θ=5°、q=945 kW/m2时汽泡脱离周期为0.27 s。汽泡法向脱离速度定义为前后两次汽泡覆盖面积的差值除以时间，汽泡脱离速度最高可达0.7 m/s，最低为-0.4 m/s，负号表示汽泡厚度减小。

采用相同的图像处理方法对倾角(5°、30°、45°、60°和90°)在不同热流密度下的汽泡动态图像处理后，得到汽泡脱离周期随热流密度的变化，如图5所示。汽泡脱离周期随热流密度的增大呈减小的趋势，当热流密度大于400 kW/m2时，汽泡脱离周期基本稳定，最终维持在一稳定值。随着倾角的增大，汽泡脱离周期逐渐减小，其中倾角为5°时，汽泡脱离周期稳定在约0.27 s；倾角为30°、45°、60°和90°时，汽泡脱离周期分别稳定在0.21、0.19、0.15和0.13 s。可看出，倾角越小，汽泡脱离周期越长，这与文献[19]中的蒸汽膜结构和波浪蒸汽层结构的汽泡观察结果相互佐证。不同的汽泡结构对换热表面沸腾换热的机理有着本质的区别，对于倾角较小的蒸汽膜结构，由于加热表面朝下对汽泡脱离造成严重的阻碍，汽泡只能在加热表面附近持续长大并相互聚合生成大汽泡，直到汽泡尺寸大过朝下表面尺寸时，汽泡才以大汽泡的形态逃逸换热表面，冷却水迅速润湿换热表面，开启新一轮汽泡生长周期，因此蒸汽膜结构的脱离周期相对较大，沸腾危机更易发生。然而，波浪蒸汽层结构由于汽泡脱离过程中呈波浪型，因此在波谷的位置，冷却水可较好地润湿换热表面，这与蒸汽膜结构中冷却水必须等大汽泡脱离后再润湿换热表面的机理完全不同，波浪蒸汽层结构这种动态润湿表面可延缓沸腾危机的发生，因此倾角较大时的CHF相对更高。

图4 θ=5°、q=945kW/m2时汽膜厚度和汽膜脱离速度随时间的变化Fig.4 Vapor film thickness and departure velocity with q=945 kW/m2 and θ=5°

图5 汽泡脱离周期随热流密度和倾角的变化Fig.5 Bubble departure period vs heat flux and angle

图6 平均汽膜厚度随热流密度的变化Fig.6 Average vapor film thickness vs heat flux

图6统计了平均汽膜厚度随热流密度和倾角的变化，可看出各倾角下的平均汽膜厚度随热流密度而增大，但倾角的变化对其影响没有明显的规律，主要原因是数字图像处理方法只统计了汽泡侧面的信息，而未统计汽泡正面的信息，如图7所示，聚合的大汽泡不仅沿垂直于加热面的法向方向生长，而且沿平行于加热面的四周生长，所以汽膜的平均厚度统计不能完全等同于整体汽膜厚度，但可反映出汽膜厚度的变化规律。从图6可看出，在各倾角下，热流密度增大到一定值后，平均汽膜厚度会明显降低，这是因为此时发生了沸腾危机，核态沸腾转变为膜态沸腾，平均汽膜厚度迅速减小。核态沸腾时，汽泡周期性地长大、聚合和脱离，汽膜厚度周期性地变化；而发生沸腾危机后，加热表面覆盖1层稳定的汽膜(≤10 mm)，汽膜厚度小幅波动。因此，通过监视汽膜厚度的变化也可判别沸腾危机的到来。

图7 倾角θ=60°时汽泡正面照片Fig.7 Front view of bubble at θ=60°

3 结论

1) 基于Matlab软件开发了专门针对加热平板表面朝下的可识别气液两相流的程序，通过该程序可获得气液界面变化、汽膜厚度、汽泡脱离周期、汽泡脱离速度等特征参数。

2) 加热沟槽结构表面朝下的汽膜脱离周期随热流密度的增大而减小，当热流密度大于400 kW/m2时，脱离周期趋于稳定值；汽膜脱离周期随倾角的增大而减小，当倾角从5°增大至90°时，汽膜脱离周期由0.27 s减小至0.13 s。定量分析结果佐证了蒸汽膜结构和波浪蒸汽层结构的沸腾换热机理的假设。

3) 加热表面朝下核态沸腾时汽膜厚度随热流密度的增大而增大，当发生沸腾危机后，汽膜厚度迅速减小，在换热表面形成一层稳定的汽膜，通过动态监测汽膜厚度的变化可判断加热表面的沸腾状态。