流道间隙对单蒸汽泡形状的影响

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，而单蒸汽泡纵横比是构建两相流漂移速度的关键参数之一。本文实验研究了过冷条件下，竖直窄缝通道内单蒸汽泡形状，分析了流道间隙对单蒸汽泡纵横比的影响。过冷条件下，流道间隙越小，单蒸汽泡冷凝越快，直径减小越快，单蒸汽泡纵横比数值和离散度增大，形状变化更加剧烈。

关键词：单蒸汽泡  行为特性  流道间隙  热工水力

中图分類号：TL333                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（a）-0099-02

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. Aspect ratio of bubbles is also a key parameter to construct the drift velocity of two phase flows. Experimental study was carried out on shape of single vapor bubbles under subcooling conditions in a vertical narrow channel. The effect of the channel gap was analyzed. Results showed that condensation rate of single vapor bubbles increased as the channel gap decreasing. Meanwhile， the aspect ratio and its deviation increased more obviously， and the shape changed violently.

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

窄缝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形状的影响。本文实验研究了窄缝通道内，流道间隙对单蒸汽泡纵横比的影响。

1  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。实验本体内预设温度的去离子水静止后，注入纯蒸汽，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950mm，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。

2  结果与讨论

实验结果显示，过冷条件下，单蒸汽泡界面发生冷凝，上升过程中，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。

2.1 单蒸汽泡形状

分析不同过冷度下，流道间隙对蒸汽泡纵横比的影响。由实验结果可知，1mm间隙流道内单蒸汽泡纵横比数值和离散度均大于2mm和3mm间隙流道内数据;过冷度提高，流道间隙改变带来的纵横比差异越明显。纵横比的差异里不仅包含流道间隙的影响，还包含流道间隙改变引起的散热损失的影响，过冷度越大，流道间隙改变带来的散热损失差异越大，引起不同间隙流道内单蒸汽泡的纵横比差异越大。

3  结论

本文对窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡形状进行了实验研究，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，单蒸汽泡纵横比的数值和离散度都大大增加，蒸汽泡形状变化更为剧烈。

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.豎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] 李维仲，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.