竖直矩形窄流道内 过冷沸腾汽泡生长特性及对换热的影响
陈德奇，潘良明1，袁德文，王小军
2.中国核动力研究设计院反应堆工程所，西川武都610041） （1.重庆大学动力工程季院核能系，四川重庆400044
摘要：在一个大气压下以水为工质研究了竖直矩形窄流道内过冷沸腾的汽想生长特性.采用Laplact数 （La）和时间因子（e）无量纲化汽泡率径和汽泡生长时间，得到了不同工况下的无量纲汽泡生长曲线，通过分析质量流速和热流密度变化对无量纲汽泡生长的影响，发现增加质量流速会排制汽泡生长：增加热流密度则会促进汽泡生长.汽泡的生长行为会严重影响核态渗腾换热系数hxs，从面影响总激腾两相流 动换热系数A .采用与雷诺数（Re）相关的无量到时间（r）的1/3次方模型来预测无量纲汽泡生长，发现此模型能较好地预测本研究中所得到的无量细汽泡生长数据.
关键词：汽泡生长；窄通道：换热系数
中国分类号：T1.331，TK124 文献标志码：A 文章编号：0258-0918（2010)01-0048-07
and effects on heat transfer in water subcooled flow boiling An experimentalinvestigation ofbubble growth inaverticalnarrow rectangular channel
CHEN De-qi ′ PAN Liang-ming ′. YUAN De-wen ′ WANG Xiao-jun ^
(1 School ef Power Engineering Chosgqing University Chongping of Sicbaan Prox 400044 Chinas2. Institute of Noclear Power of Chins Chengfo of Sichuss Prov S[0041 Chins)
Abstraet; The nature of bubble growth in vertical rectangular narrow channel at atmos-pheric pressure was conducted using water as working fluid in present study. Laplacenumber (La) and non-dimensional time factor (f) are used in present paper for non- dimensionalization of bubble radius and bubble growth time respectively. By analyzingthe effects of mass flux and heat flux on dimensionless bubble growth the authorsfound that the bubble growth could be restrained with increasing mass flux but acceler-
ated with increasing heat flux The authors also found that the bubble growth couldaffect the nucleate boiling heat transfer coefficient hss strongly thereby make bigcontribution to total heat transfer coefficient of tow phase boiling flow hu A non-dimensional bubble growth model with Reynolds number ( Re) and non-dimensional time r*13 is proposed in present study and this model can predict the non-dimension-al bubble growth well.
Key words;bubble growth: narrow channel; heat transfer coefficient
汽泡的生长机制为人们从理论上深人了解沸腾换热有着不可替代的重要作用，这也是为什么与沸腾换热紧密相关的工业应用，如锅炉、反应堆等系统，非常关注汽泡生长机理方面的研究.汽泡生长及相关物理过程在沸腾换热中 扮演着重要的角色，汽泡的生长还会剧烈扰动热边界层和速度边界层，从而强化换热.Zuber在Bosnjakovic及Jakob[3]的研究基础上提出了球形汽泡在均匀过热液体中的生长模型， 认为汽泡半径正比于².Thorncroft等以FC-87为工质可视化地研究了在竖直流动中的过冷沸腾汽泡生长特性，发现汽泡生长曲线基本上符合指数曲线，R=kr，且指数n在1/3~ 1/2间变化.YueMa等可视化地研究了FC-72的汽泡生长特性，井用Laplace数（La）无量纲化汽泡直径，发现无量纲汽泡直径D正比于Re：，其中：为无量纲时间，S Siedel等则以正戊烷为工质来研究汽泡生长、发现在无量纲时间0.2时，V正比于r.陈德奇等以水为工质，研究了一个大汽压下竖直矩形流道内过冷流动沸腾的汽泡 生长特性，其中质量流速G=50~133kg/（m²s），热流密度q.=9~85kW/m²，汽泡生长仍遵循指数曲线，但指数n在较大范围内变化(0. 34~0. 91)
汽泡生长是一个非常复杂的问题，其速度快，汽泡间又往往存在复杂的相互作用，且物性参数、生长壁面粗检度等参数都会影响汽泡生长.由于其复杂性，至今人们对汽泡生长的 认识仍没有在机理上得到突破，本文在作者前期的研究基础上在更广的热工参数（流量和热流密度）范围内开展汽泡生长的可视化研究，井通过无量纲分析来探讨汽泡在竖直矩形窄流
道内的生长特性.
1实验回路及测量系统
1.1实验回路系数
段参见文献[7].通过实验段的2号（从下往 实验回路系统如图1所示，可视化实验上）石英窗口进行可视化观测.高速摄像仪配以Micro-Nikkon60mmf/2.8D微距镜头256 pixel×192 pixel 约为12. 7 mm×9. 5 mm 以10000fps的速度进行拍摄，图片像素为的实际拍摄面积.
图1实验回路系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram
of fored conveetion loop for flow boiling[1-文丘里流量计：1-阔门. -润压阀①一温度量：①-压力测量，①-液位计
1.2实验测量控制系统
温度、压力以及实验段加热功率测量方法量，通过在实验段前NV2118文丘里流量计 已在作者的前期研究中叙述”，而对流量的测进行，并用当地温度和压力修正：测量精度为满量程（35~1 189kg/h.p=917.68kg/m²)的±0.5%.
9.-83.6~232.8kW/m².具体实验工况如 速G=214.6~593.4kg/（m²s）；热流密度表1所示.
2实验工况
以水为工质，在一个大气压下进行：质量流
Table 1 Working coaditions of esperiments 表1实验工况表
Total hestSstem Hest Flux Mass flux temperature temperature Wall Liquid Jecob transfer Reynolds ExperimentRUN No. Presure p /bar （kW/=²) =/ （m²] G/[（kg/ (local) (loeal) number Ja coefficiet A/[kW/ number Re constant T./C T/C (m? • K）]cond132 1.20 84.14 214.58 105.72 84.04 2.44 3.88 2 441.42 15. 811poo 1.26 83.62 296.77 108.80 107. 42 82.05 3.04 3.30 3 295. 79 15. 93cond135 cod134 1.38 1. 32 85.10 84. 67 399.57 495.53 189 59 75.80 79. 75 2 99 1.67 2.92 2.85 5 348. 39 4 315. 39 18.18 19.93cond136 1.40 85.85 593 40 189. 45 78. 40 0.35 2.86 6 376. 66 17.71coed145 1.26 149 15 494. 39 110 85 84.33 11.61 5 62 5 644. 64 7 88condi45. 5 eond155 1.32 1.31 232.77 187.83 489.41 491. 81 115. 78 114. 27 89.14 87.61 19.58 16. 69 7 05 8 73 5 913.34 5 837 76 19.59 15 09
（abc）1，本文汽池半径均为当量半径.
3实验结果及分析
对汽泡半径通过La数无量纲化：
(1)
3.1不同工况下的典型汽泡生长
式中：La=[/（（p-a）g]]，而汽泡生长时间则通过时间因子无量纲化：
图2为不同工况（cond132，cond135，cond155）下的典型汽泡生长过程（时间顺序由上往下）.其中第一张图片为汽泡在壁面上刚0.2ms.由图可看出，在热流密度基本不变时， 好出现的时刻，每两张相邻的图片时间间隔为当质量流速从214.58kg/（m²s）增加到495.53kg/（m²s），即工况从cond132变化到condl35，汽泡生长速度明显变慢，相同时刻的 汽泡尺寸也明显减小.当质量流速基本不变而热流密度从85.1kW/m²增加到232.77kW/（m²s），即工况从cond135变化到cond155，汽泡生长速度和相同时刻下的汽泡尺寸都明显 地增加，可见质量流速的增加抑制了汽泡生长：面热流密度增加则促进汽泡生长.
(2)
式中：=q/（Laph），时间因子e表示热流密度为q时，在加热面上产生厚为La的蒸汽所需要的加热时间，其综合考虑了加热功率、潜热和表面张力以及汽泡所受浮力的影响.
3.3无量纲汽泡生长特性
图3为工况cond132下的无量纲汽泡生长曲线.图中散点为所统计的15个汽泡从核化到脱离核化点的生长情况.这15个汽泡是从本工况中最典型的汽泡中选取出来的，对本工 况下的汽泡生长具有很好的代表性.图中标识为cond132a的曲线为此15个汽泡的平均生长曲线.从图中可以看出汽泡半径变化基本不会超过平均直径的±15%.
3.2汽泡尺寸及生长时间无量纲化
体，且椭球形汽泡长、短半轴为a、b面Z半轴 可认为汽泡是一个流动方向上倾斜的椭球（垂直加热片）c不会比a大，可假设c=6，并按照体积相等计算汽泡的当量半径R=
图4为定热流密度变质量流速时的无量纲汽泡生长情况，可以看出当无量纲时间：0.01时，汽泡的生长受质量流速的影响不显
图4不同工况下的无因次汽泡生长 Fig 4 Dimensionless bubble growthat various conditions注q*84 kW/m² G=214.58~593. 4 kg/(m² * s)
著：这是由于此时汽泡尺寸还很小，汽泡的大部分还处于过热边界层内.随着汽泡不断长大，质量流速对汽泡生长的影响逐渐加强，汽泡尺量纲生长时间（从核化到汽泡脱离核化点）也明 寸开始随着质量流速增加面减小：且汽泡的无显随着质量流速的增加面减小，质量流速增加，流动曳力对较大尺寸汽泡的作用越来越显著，从而促进了汽泡脱离，从图5a~图5e也 可以看到随着质量流速不断增加，壁面上的核化点数以及汽泡尺寸都在不断减少.
结合图4~图6可看出换热系数与汽泡行h，可分解为两部分组成 为间的密切关系.过冷沸腾两相动的换热系数
图2不同工况下典型的汽泡生长过程 Fig. 2 Typical bubble growth indifferent working conditions
(3)
式中：核态沸腾换热系数hxn主要源于汽泡核化生长：面对流换热系数hcv则是由对流换热引起的.
图6中，当工况从cond132变化到cond133时，尽管Ja数有较大增加，换热系数却出现了明显的下降.随着质量流速增加，对流换热系数hcv也会有所增加.从图4可看 到，由于Ja数的增加使得初期阶段cond133的汽泡生长速率和尺寸都比cond132时大，但由于质量流速的增加，还是使大部分生长时间内（主要为后期生长）cond132的汽泡比cond133的大；尽管这两相工况下的核化点密度并没有 太大的变化，如图5a和图5b所示，，还是导致了核态沸腾换热系数hNe的急剧降低，致使总
图3cond132工况下的无因次汽泡生长 Fig 3 Dimensionless bubble growthat Run No. cond132 =g =84. 14 kW/m² -G 214. 58 kg/(m² • s)
换热系数h下降.当工况从condl33变化到cond134时，Je数只有微小变化，但质量流速 继续增加还是使汽泡生长速度和尺寸有一定程度的下降，且从图5c中可看到壁面上的核化点密度开始减少，致使总换热系数h继续下降.然面当质量流速增加到495.5kg/（m²s） （cond135） 甚至 593. 4 kg/(m² s)（cond136)时，从图6中可以看出总换热系数h，变化不大，这是由于汽泡生长速率和尺寸以及壁面核化点密度减小所导致的核态沸腾换热系数ha 减少量与质量流速增加所带来的对流换热系数hcv增加量已基本相当，随着质量流速增加，更多的热量被从加热壁面上带走，使得壁面过热度降低，导致了Ja数减小，这也是汽泡生长速率减缓和尺寸减小的主要原因.
图5不间工况下壁画上的沸腾状况Fig. 5 Boiling situntions at differentwording conditions
从图7可以看出，在质量流速基本不变而热流密度从85.1kW/m²（cond135）增加到
图6不同工况下的Ja数和佛腾换热系数Fig. 6 Jacob number and hest transfer coefficient in different working conditionsq ≈84 kW/m² G=214. 58~593 4 kg/(m² s)
图7不同工况下的无因次汽泡生长曲线 Fig. 7 Dimensionless bubble growthdifferent working conditioms(;G~493 kg/m² sg 85. 1-232 77 kW/m
187.8kW/m²（cond14-55）时，汽泡生长速率和汽泡尺寸不断增加，同时壁面上的核化点密度加强；此过程中Ja数和总换热系数h也几乎 也在不断增加，壁面上的汽泡相互作用进一步线性地增加，如图8所示.可见汽泡的生长速率、尺寸以及核化点密度对h的贡献非常显著.面当热流密度增加到232.8kW/m（cond155）时，从图7可以看出汽泡生长速率和 尺寸都出现了明显的下降；从图8中则可看到Ja数也较工况cond14-55时有一定程度的下降，然面换热系数仍较工况cond14-55有大幅增加.尽管工况cond155下汽泡生长速率和汽 泡尺寸有所减小，但壁面上出现的汽泡数量却有明显的增加，如图5h所示.由于汽泡数量的
