沸腾工况下汽泡可视化实验研究

发布时间：2020-11-01 09:50

　　 在核动力装置设备中经常会发生两相流动现象,对于核电厂设备而言两相流中气相的主要存在形式为汽泡;另一方面,核反应堆堆芯中燃料包壳温度过高会发生沸腾换热现象,而泡核沸腾换热的传热量比单相液体时更大就是因为汽泡的存在,增强了冷热流体之间的对流换热。因此,为了揭示沸腾换热机理以及保证核反应堆的安全运行,对于沸腾工况下汽泡的生长特性进行研究是十分必要的。本文主要对大容积池沸腾工况下的汽泡行为进行实验研究,根据实验所得的汽泡基本参数分析外部边界条件对汽泡生长规律产生的影响,并对汽泡脱离壁面核化点时的尺寸进行了统计分析。搭建了沸腾工况下汽泡可视化研究实验平台,用于模拟池沸腾现象的实验水箱的尺寸为250×150×300 mm,实验时的液体工质采用去离子水,实验过程中始终让水箱中的水保持一定的过冷度,使实验条件为过冷沸腾工况,汽泡由水箱底部的导电加热装置产生,高速摄影仪置于水箱正面用于拍摄记录汽泡的生长运动行为,通过图像处理软件对汽泡图像数据进行处理,能够得到研究需要的汽泡基本参数。概括介绍了泡核沸腾的几种假设模型,给出了适用于本文实验研究工况的汽泡的脱离直径预测的力平衡模型。对比其他学者实验结果对本文研究的实验台的可行性进行了验证。并对实验研究中得到的汽泡脱离直径数据进行了统计分析,发现相同工况下同一核化点生成的汽泡的脱离尺寸并非固定值而是在一定范围内波动,这种波动会随着壁面热流密度的增加而减小,多数汽泡的脱离直径介于0.2~0.3mm之间。根据实验数据研究壁面热流密度对汽泡生长规律的影响。研究表明,随着壁面热流密度的增加,汽泡的生长速率加快,生长周期缩短,相同工况下同一核化点处生成的汽泡稳定性更好,核态沸腾状态更加稳定。根据实验数据研究液体过冷度对汽泡生成现象的影响。研究发现,液体过冷度的增加会导致相同工况下同一核化点生成的汽泡的尺寸的随机性增加。在实验过程中还观察到了汽泡的冷凝和聚合现象,通过研究发现发现这两种现象分别与液体过冷度和壁面热流密度有关。此外,在研究过程中还发现汽泡所能达到的最大直径主要受汽泡的初始生长速率影响;汽泡的尺寸越大,其做浮升运动时竖直方向的速率越快等。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM623
【部分图文】：

的新气泡产生一定的影响，他们将气泡的生成过制、双周期成对区制（指前一个气泡和后面一个、双周期合并区制（指前一个气泡在新生成的气泡、三周期区制和混沌区制等。者们对水下小孔气泡生成模型的研究，除了模型现象相关的实验和理论研究。因为气泡生成过程不同学者把气泡从水下小孔生成到气泡脱离小孔[8]利用图 1 所示实验装置研究了孔径为 0.054mm，他们通过所得实验结果根据气泡形态的变化将的整个过程分为四个阶段，分别是：生长阶段、建宇[9]研究了孔径大于 1mm 的水下小孔气泡生成分析过界面平衡和气泡受力平衡条件后他认为气段和脱离阶段等三个阶段。

(a) (b)图 1.2 实验结果与汽泡脱离直径模型预测值比较图[34-35]Van Stralen et al.[37]建立了一个适用于纯流体的汽泡的等待周期和生长周期之间的关系式，即其等待周期约等于三倍的生长周期。汽泡的生长速度也是汽泡动力学的一个主要参数，它的定义为汽泡的尺寸改变与时间的比值，它还与 Staniszewski[33]和 Cole & Shulman[38]给出的气泡脱离直径有关。汽泡生长速度也和雅各布数、热耗散率的二分之一次方以及时间的二分之一次方存在潜在联系[39-41]。Mikic & Rohsenow[42], Van Stralen & Sluyter[43]和 Copper[44]分别提出了跟汽泡的等待周期、生长周期和普朗特数有关的汽泡生长模型。Mikic[45]等在认为加热表面上生成的汽泡是球形的情况下，提出了单一液体工质中汽泡生长速度预测的关系式，并且他们还假设了蒸汽压力与温度之间满足Clausius-Clapeyron 方程的线性解析关系，蒸汽的密度保持恒定等。接下来，Zhao[46]等在认为加热壁面上生成的汽泡为半球形的情况下，通过解微液

率预测关系式。之后，陆续有学者研究了单气泡、聚合气泡、高热流密度饱和池沸腾情况下产生的气泡以及混合流体工质池沸腾产生的汽泡的脱离频率，研究结果表明：随着热流密度加大汽泡的脱离频率和脱离直径都会增加。但是目前所建立的理论模型还不能够准确的预测汽泡的脱离频率。通过上述研究发现，避免的热流密度、壁面过热度及液体工质的过冷度都会对沸腾工况下的气泡生成现象产生影响，所以在实验过程中还应该对这些因素进行研究。研究学者[57-59]发现：随着壁面热流密度的增加，汽泡的脱离频率、运动速度、汽化核心密度会增加，而汽泡的脱离直径、等待周期、生长周期会减少。Siedel[60]等通过研究发现：在低壁面热流密度工况下，光滑和粗糙表面的汽泡脱离直径无明显差别；然而，在高壁面热流密度工况下，光滑表面的汽泡脱离直径相对较大。还有一些科研人员[57, 61, 62]通过实验研究发现，随着壁面过热度增加，汽泡的脱离直径、脱离频率、等待周期和汽化核心密度会增加，而汽泡的生长周期会减小。另外有研究人员[63]发现增加过冷度会使汽泡生长周期增加，汽泡的脱离直径和脱离频率减小。
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本文编号：2865367