基于底部可视的矩形窄流道内汽泡生长及聚合特性实验研究
发布时间：2021-09-01 11:14
窄流道结构紧凑,流道内沸腾两相流动具有较大的换热系数,目前被广泛应用于先进核反应堆的堆芯设计。沸腾两相流动伴随着的汽泡动力学行为极其复杂;窄流道内汽泡生长到与流道相当大小后,由于受到流道壁面限制汽泡形状发生变形,导致汽泡行为与常规流道存在差异。因此,为了揭示窄流道内汽泡行为和界面形态演变规律,仍需进一步开展实验研究。本文以去离子水为工质在不同热工工况下开展了可视化实验研究,所采用的实验段为四面可视矩形窄流道;结合实验研究结果,采用图像分析方法研究了汽泡动力学行为。本文开展的主要研究工作如下:针对沸腾汽泡行为的图像分析,通过增添灰度拉伸、边缘检测与闭运算等处理方法,建立了改进的图像自动分析方法。通过这种图像分析方法能有效解决汽泡图像分割中光斑引起的汽泡轮廓不封闭问题,实现汽泡自动识别及汽泡参量获取。所提取的汽泡参量包括汽泡数目、横纵轴长度、面积和当量直径等。结合本文建立的图像分析方法,获得了窄流道内汽泡生长曲线和汽泡聚合行为。通过分析汽泡生长曲线发现,汽泡生长速率前期较快后期较慢,分别处于惯性生长时期和热扩散控制生长阶段。汽泡生长到一定尺寸后是否脱离核化点取决于汽泡的受力情况。随着汽泡体...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
汽泡生长过程示意图[13]
1绪论3图1.2不同表面上的汽泡行为[14]Fig.1.2Bubblebehaviorondifferentsurfaces[14]针对汽泡动力学行为的研究，文献中采取不同的变量开展实验分析，这些变量包括加热表面、实验工况和实验工质等。例如Kim等人[14]在不同表面上的研究结果如图1.2所示，发现同等生长时间下汽泡直径依次在超亲水、亲水、疏水、超疏水四种表面上（图1.2中从上到下）减小，生长周期和脱离直径均变大，汽泡形状从球变扁，Hsu和Chen[15]也发现了类似的现象。Sarker等人[13]研究了汽泡周期内的核化、生长、脱离、滑移等，并发现表面特性对汽泡行为有着影响，较低的润湿性表面有着较大的汽泡脱离直径和较长的滑移距离；还分析了汽泡滑移速度的变化特征。Kim等人[16]采用红外摄影技术拍摄汽泡动力学行为，通过反射的红外线光强图谱研究核化点密度、汽泡频率、汽泡等待时间与生长时间、汽泡尺寸等变化规律。此外，不同实验工况对汽泡动力学行为的影响显著，Cao等人[17]利用高速摄像仪研究了上升环形流道内过冷流泡核沸腾中汽泡演变特征，得到不同过冷度和质量流量下完全不同的汽泡行为和汽泡变形特征。Yin等人[18]在微通道内观察到不同热流下的汽泡生长和传热特征，认为汽泡生长直径前期为指数增长而后期为线性增长。虽然大部分实验工质为去离子水，但也有用其他的。如Suszko等人[19]对铜表面进行PF-5060液饱和沸腾实验，研究了汽泡脱离直径和频率以及铜表面平均核化点密度。Fu等人[20]采用液氮作为工质，在微管道内可视化研究了沸腾流动条件下汽泡生长、脱离及其后的流型演变，认为汽泡生长速率由惯性力决定，分为脱离核化点前和脱离核化点后两个阶段。研究者们不只关注汽泡动力学行为的直观现象，还深入分析了汽泡演变的具体机制。Giustini等人[21]研究了蒸发热?
1绪论5单个汽泡行为可有利于沸腾相变换热，促进加热壁面热量被快速带走，而汽泡间由于聚合产生大汽泡一方面加剧流体扰动，强化换热，而另一方面过多汽泡聚合使流动阻力增大，并且汽膜覆盖加热面，阻碍壁面润湿，导致传热恶化，并且汽泡聚合机制仍不明确，因此有必要研究汽泡聚合的演变特征。图1.3汽泡聚合过程示意图[35]Fig.1.3Schematicdiagramofthebubblecoalescenceprocess[35]为了探究汽泡聚合过程的产生机理和演变规律，文献中对汽泡聚合行为开展了大量的实验研究。Lin和Lin[36]在非牛顿流体产生的池沸腾中研究了两个不等同轴汽泡的聚合机制，把汽泡聚合过程可分为三步：首先，上游汽泡1不断加速追赶下游汽泡2，并且汽泡1在加速运动时被拉长；而后汽泡2被汽泡1追上并碰撞，此时两个汽泡接触面间的液体由于受到相互靠近汽泡的挤压而被向外排挤，不断减薄；最后这层分开两个汽泡的液体减薄至临界厚度被冲破，完成汽泡聚合。他们认为负压和剪切稀化效应产生的拖曳力及粘弹效应产生的推力促使后面汽泡向前面汽泡加速运动而聚合。Golobic等人[35]的研究结果也发现了类似的汽泡接触和泡间排液过程，如图1.3所示。Nguyen等人[37]把汽泡聚合过程分为汽泡靠近和碰撞、厚液膜形成和排液、液膜减薄至临界厚度而破碎等阶段。对此，Shiloh等人[38]提出了另一个汽泡聚合发生的判断准则，即液膜在排液过程中达到临界厚度所需时间应小于汽泡间的接触时间。Liu等人[39]在池沸腾中研究汽泡聚合，认为聚合产生的可能性条件之一是汽泡间的距离小于汽泡直径，且聚合过程是受惯性力、浮力、表面张力、粘性力以及其它体积力的共同作用所控制的。Wang等人[40]提出以下三种引起汽泡聚合产生的水动力学特征因素：湍流涡旋、汽泡间的运动速度差值以及尾流旋?
【参考文献】：
期刊论文
[1]底吹过程中基于图像处理技术的气泡直径分布特性[J]. 陈日健,闫红杰,刘柳,肖俊兵,宋彦坡. 中南大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]浅谈基于图像处理气泡特征提取方法的研究[J]. 刘伟,沈继忱. 科技资讯. 2013(08)
[3]图像处理技术在气泡特性研究中的应用[J]. 王乐乐,雍晓东,李然,马倩. 四川大学学报(工程科学版). 2012(S2)
[4]基于分水岭算法的气泡图像分割[J]. 邵建斌,陈刚. 西安理工大学学报. 2011(02)
[5]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[J]. 陈德奇,潘良明,袁德文,王小军. 核科学与工程. 2010(01)
[6]掺气水流中气泡区域的双层动态阈值分割方法[J]. 钱学明,朱虹,祝培,冯春来,陈刚. 中国图象图形学报. 2004(07)
[7]掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定[J]. 刘荣丽,戴光清,陈刚. 水力发电. 2002(11)
[8]在垂直环形窄缝流道中的沸腾传热特性研究[J]. 沈秀中,宫崎庆次,徐济鋆. 核科学与工程. 2001(03)
[9]一种基于灰度期望值的图象二值化算法[J]. 高永英,张利,吴国威. 中国图象图形学报. 1999(06)
[10]液体内部汽化的汽化空间与拟沸腾[J]. 彭晓峰,王补宣. 中国科学基金. 1994(01)
博士论文
[1]窄小流道内两相界面特征对流动换热与流动失稳影响的实验研究[D]. 陆祺.重庆大学 2018
[2]耦合空泡演化特性的并联矩形窄流道沸腾两相流动失稳机理研究[D]. 胡练.重庆大学 2017
[3]水中气泡图像处理方法及运动特性研究[D]. 王红一.天津大学 2011
[4]窄流道内汽泡生长和脱离特性及汽泡行为对压降的影响[D]. 陈德奇.重庆大学 2010
硕士论文
[1]窄空间流道内沸腾两相流动振荡特性的实验研究[D]. 李冲.重庆大学 2018
本文编号：3376877
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
汽泡生长过程示意图[13]
1绪论3图1.2不同表面上的汽泡行为[14]Fig.1.2Bubblebehaviorondifferentsurfaces[14]针对汽泡动力学行为的研究，文献中采取不同的变量开展实验分析，这些变量包括加热表面、实验工况和实验工质等。例如Kim等人[14]在不同表面上的研究结果如图1.2所示，发现同等生长时间下汽泡直径依次在超亲水、亲水、疏水、超疏水四种表面上（图1.2中从上到下）减小，生长周期和脱离直径均变大，汽泡形状从球变扁，Hsu和Chen[15]也发现了类似的现象。Sarker等人[13]研究了汽泡周期内的核化、生长、脱离、滑移等，并发现表面特性对汽泡行为有着影响，较低的润湿性表面有着较大的汽泡脱离直径和较长的滑移距离；还分析了汽泡滑移速度的变化特征。Kim等人[16]采用红外摄影技术拍摄汽泡动力学行为，通过反射的红外线光强图谱研究核化点密度、汽泡频率、汽泡等待时间与生长时间、汽泡尺寸等变化规律。此外，不同实验工况对汽泡动力学行为的影响显著，Cao等人[17]利用高速摄像仪研究了上升环形流道内过冷流泡核沸腾中汽泡演变特征，得到不同过冷度和质量流量下完全不同的汽泡行为和汽泡变形特征。Yin等人[18]在微通道内观察到不同热流下的汽泡生长和传热特征，认为汽泡生长直径前期为指数增长而后期为线性增长。虽然大部分实验工质为去离子水，但也有用其他的。如Suszko等人[19]对铜表面进行PF-5060液饱和沸腾实验，研究了汽泡脱离直径和频率以及铜表面平均核化点密度。Fu等人[20]采用液氮作为工质，在微管道内可视化研究了沸腾流动条件下汽泡生长、脱离及其后的流型演变，认为汽泡生长速率由惯性力决定，分为脱离核化点前和脱离核化点后两个阶段。研究者们不只关注汽泡动力学行为的直观现象，还深入分析了汽泡演变的具体机制。Giustini等人[21]研究了蒸发热?
1绪论5单个汽泡行为可有利于沸腾相变换热，促进加热壁面热量被快速带走，而汽泡间由于聚合产生大汽泡一方面加剧流体扰动，强化换热，而另一方面过多汽泡聚合使流动阻力增大，并且汽膜覆盖加热面，阻碍壁面润湿，导致传热恶化，并且汽泡聚合机制仍不明确，因此有必要研究汽泡聚合的演变特征。图1.3汽泡聚合过程示意图[35]Fig.1.3Schematicdiagramofthebubblecoalescenceprocess[35]为了探究汽泡聚合过程的产生机理和演变规律，文献中对汽泡聚合行为开展了大量的实验研究。Lin和Lin[36]在非牛顿流体产生的池沸腾中研究了两个不等同轴汽泡的聚合机制，把汽泡聚合过程可分为三步：首先，上游汽泡1不断加速追赶下游汽泡2，并且汽泡1在加速运动时被拉长；而后汽泡2被汽泡1追上并碰撞，此时两个汽泡接触面间的液体由于受到相互靠近汽泡的挤压而被向外排挤，不断减薄；最后这层分开两个汽泡的液体减薄至临界厚度被冲破，完成汽泡聚合。他们认为负压和剪切稀化效应产生的拖曳力及粘弹效应产生的推力促使后面汽泡向前面汽泡加速运动而聚合。Golobic等人[35]的研究结果也发现了类似的汽泡接触和泡间排液过程，如图1.3所示。Nguyen等人[37]把汽泡聚合过程分为汽泡靠近和碰撞、厚液膜形成和排液、液膜减薄至临界厚度而破碎等阶段。对此，Shiloh等人[38]提出了另一个汽泡聚合发生的判断准则，即液膜在排液过程中达到临界厚度所需时间应小于汽泡间的接触时间。Liu等人[39]在池沸腾中研究汽泡聚合，认为聚合产生的可能性条件之一是汽泡间的距离小于汽泡直径，且聚合过程是受惯性力、浮力、表面张力、粘性力以及其它体积力的共同作用所控制的。Wang等人[40]提出以下三种引起汽泡聚合产生的水动力学特征因素：湍流涡旋、汽泡间的运动速度差值以及尾流旋?
【参考文献】：
期刊论文
[1]底吹过程中基于图像处理技术的气泡直径分布特性[J]. 陈日健,闫红杰,刘柳,肖俊兵,宋彦坡. 中南大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]浅谈基于图像处理气泡特征提取方法的研究[J]. 刘伟,沈继忱. 科技资讯. 2013(08)
[3]图像处理技术在气泡特性研究中的应用[J]. 王乐乐,雍晓东,李然,马倩. 四川大学学报(工程科学版). 2012(S2)
[4]基于分水岭算法的气泡图像分割[J]. 邵建斌,陈刚. 西安理工大学学报. 2011(02)
[5]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[J]. 陈德奇,潘良明,袁德文,王小军. 核科学与工程. 2010(01)
[6]掺气水流中气泡区域的双层动态阈值分割方法[J]. 钱学明,朱虹,祝培,冯春来,陈刚. 中国图象图形学报. 2004(07)
[7]掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定[J]. 刘荣丽,戴光清,陈刚. 水力发电. 2002(11)
[8]在垂直环形窄缝流道中的沸腾传热特性研究[J]. 沈秀中,宫崎庆次,徐济鋆. 核科学与工程. 2001(03)
[9]一种基于灰度期望值的图象二值化算法[J]. 高永英,张利,吴国威. 中国图象图形学报. 1999(06)
[10]液体内部汽化的汽化空间与拟沸腾[J]. 彭晓峰,王补宣. 中国科学基金. 1994(01)
博士论文
[1]窄小流道内两相界面特征对流动换热与流动失稳影响的实验研究[D]. 陆祺.重庆大学 2018
[2]耦合空泡演化特性的并联矩形窄流道沸腾两相流动失稳机理研究[D]. 胡练.重庆大学 2017
[3]水中气泡图像处理方法及运动特性研究[D]. 王红一.天津大学 2011
[4]窄流道内汽泡生长和脱离特性及汽泡行为对压降的影响[D]. 陈德奇.重庆大学 2010
硕士论文
[1]窄空间流道内沸腾两相流动振荡特性的实验研究[D]. 李冲.重庆大学 2018
本文编号：3376877
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