过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响

唐继国1，阎明2，肖友军3，阎昌琪1,*，孙立成4

(1.哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨150001；

2.中国核电工程有限公司，北京100840；3.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082；

4.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都610207)

摘要：为研究过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响，利用高速摄像机记录不同过冷度下过冷池中蒸汽气泡凝结过程。实验结果表明：在低过冷度(ΔTsub=17 K)下，蒸汽气泡界面波动发展缓慢，气泡不会破碎，而是逐渐分裂凝结；在高过冷度(40 K<ΔTsub<75 K)下，蒸汽气泡表面上的波动剧烈发展，随后气泡会突然破碎，并形成大量微气泡；在ΔTsub=30 K时，气泡突然破碎前会有小气泡分裂现象发生。40 K<ΔTsub<75 K时气泡破碎形成的微气泡的直径和速度在量级上与气泡微细化沸腾区域的微气泡接近。随过冷度的升高，微气泡的直径减小，速度增加，且蒸汽气泡破碎前其表面上波动的波数迅速增加，波动的最大幅值先增加后减少。

关键词：气泡微细化沸腾；气泡破裂；过冷度；界面波动

中图分类号：TK124 文献标志码：A

收稿日期：2014-08-13;修回日期：2014-10-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51376052,11475048,51106101)；四川大学科研基金资助项目(YJ201432)

作者简介：唐继国(1988—)，男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，核科学与技术专业

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2030

*通信作者：阎昌琪，E-mail: chanqi_yan@163.com

Effect of Subcooling on Vapor Bubble Collapse and Microbubble Emission

TANG Ji-guo1, YAN Ming2, XIAO You-jun3, YAN Chang-qi1,*, SUN Li-cheng4

(1.FundamentalScienceonNuclearSafetyandSimulationTechnologyLaboratory,

HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China;

2.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China;

3.ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi214082,China; 4.StateKeyLaboratoryofHydraulicsand

MountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610207,China)

Abstract:In order to investigate the effect of subcooling on vapor bubble collapse and microbubble emission, the condensation process of vapor bubbles in a subcooled pool at different subcoolings was recorded with a high-speed video camera. The results show that the development of surface wave emerged on the bubble surface is slow and the vapor bubbles are condensed and split up gradually without sudden collapse at low subcooling (ΔTsub=17 K). At high subcooling (40 K<ΔTsub<75 K), the surface wave on the surface is violent and the vapor bubbles will collapse suddenly with the emission of a large number of microbubbles. Nevertheless, the process of tiny bubbles splitting off from large bubble is observed before sudden collapse of bubble at liquid subcooling of 30 K. The diameter and velocity of microbubbles after collapse of vapor bubble are within the same order of magnitude of those in microbubble emission boiling at 40 K<ΔTsub<75 K. Furthermore, the diameter of microbubble decreases, while the velocity increases with the increase of subcooling. In addition, the wave number of the surface wave on bubble surfaces increases and the maximum amplitude of the surface wave increases firstly and then decreases with the increase of subcooling.

Key words：microbubble emission boiling; bubble collapse; subcooling; surface wave

气泡微细化沸腾(MEB)是一种发生在一定过冷度下，且伴有气泡破碎及微气泡喷射过程的特殊沸腾现象。由于发生时其热流密度远高于常规临界热流密度(CHF)，因此，MEB现象在核能、微电子、制冷和化工等领域中都具有极好的应用前景。20世纪80年代，Inada等[1]首先注意到MEB现象并进行了相关的实验研究。随后，Shoji等[2]和Tange等[3]对铂丝上的MEB现象进行了观察。Suzuki等[4-9]研究了池式和流动条件下压力、重力、工质、管道尺寸和超声波等对MEB的影响。Wang和Cheng[10]首先发现了微通道内的MEB现象，并获得了高达14.41 MW/m的热流密度。Wang和Peng等[11]在研究铂丝上的过冷沸腾时发现在加热丝上存在微小气泡喷射现象，气泡直径为10 μm左右，速度高达600 mm/s，与MEB现象类似。尽管有许多与MEB现象相关的实验研究，但由于气相、液相和固相间极其复杂的相互作用，目前对MEB的认识依然不够深刻。MEB现象的发生条件、MEB发生时蒸汽气泡破碎过程和微气泡产生的原因等方面都有待进一步研究。Ueno等[12-13]认为，可通过向过冷水中注入蒸汽气泡来模拟沸腾时过冷液体与气泡间的相互作用，以此来简化MEB形成机理的分析过程。因此，本文通过向不同过冷度下的过冷池中注入蒸汽来观测蒸汽气泡与过冷水间的相互作用，以模拟和研究MEB过程中气泡的破碎和微气泡喷射过程。

1实验装置

图1为实验装置示意图。不锈钢水箱(300 mm×240 mm×120 mm)开有观察窗口，用于观察和拍摄气泡行为。实验过程中，蒸汽由蒸汽发生系统产生，通过内径为4 mm、外径为6.3 mm的不锈钢圆管注入水箱。蒸汽发生系统主要包括电加热锅炉、挡板式汽水分离器、疏水池、管道以及阀门等。蒸汽流量通过蒸汽阀与旁通阀调节。蒸汽发生装置及蒸汽管道外壁均包有隔热材料，以减少热量损失。1根距蒸汽管道约45 mm、直径0.5 mm的K型铠装热电偶用于测量水箱中的水温。温度信号由NI数据采集系统采集。直径为15 mm的电加热棒用于实验前加热水箱中的实验工质。铜制冷却盘管用于调节和维持实验工质的过冷度。水箱中的工质为蒸馏水，实验在常压下进行。过冷度范围为0～85 K，过冷度波动维持在±1 K内。蒸汽气泡凝结过程由PHOTRON公司生产的Fastcam SA5高速摄影仪观测与采集。每组实验的采样频率设定为10 000帧/s，采样时间设定为0.3 s。实验中采用背光系统以增强拍摄的清晰度。

图1　实验装置示意图 Fig.1　Schematic diagram of experiment apparatus

2实验结果及分析

2.1蒸汽凝结过程可视化研究

图2示出不同过冷度下的蒸汽气泡凝结过程。在不同过冷度下，蒸汽气泡生长初期的气液界面均非常光滑。随着气泡的生长，气泡表面局部开始出现微小的界面波动(t=1.8 ms)。从图2a可看出，在低过冷度(ΔTsub=17 K)下，界面波动发展非常缓慢。当t=10 ms时，气泡已经脱离蒸汽注射管道，由于无新蒸汽补充，此时界面波动略强于气泡脱离前。t=16 ms时波动已遍布整个气泡表面。随后气泡开始逐渐分裂，最后冷凝消失。从图2b可看出，在30 K过冷度下，气泡的凝结过程中不仅会发生破碎现象，还会发生气泡分裂现象。蒸汽气泡在t=5.7 ms时脱离，随后气泡迅速凝结。在t=8 ms时，会有一些小气泡从大气泡上分裂出来，这些小气泡的尺寸大于高过冷度下气泡破碎形成的微气泡。随后，在t=9.5 ms时气泡破碎，许多小气泡形成。这些小气泡继续凝结，最终消失在过冷水中。从图2c～e可看出，在高过冷度(40 K<ΔTsub<75 K)下，蒸汽气泡的凝结过程与低过冷度下存在显著差异。此时，气泡表面上的界面波动发展非常迅速，界面波动在气泡脱离前就已遍及整个气泡。过冷度越高，界面波动遍及气泡所需的时间越短。当蒸汽气泡脱离蒸汽注射管道后，界面波动发展更加剧烈。当波动到达一定程度时，气泡突然破碎，大量微气泡形成。这些微气泡向各方向喷射而出，最终在过冷水中凝结。根据不同过冷度下蒸汽气泡凝结过程可发现，发生气泡突然破碎现象的过冷度阈值在20～30 K附近，这与MEB现象发生的过冷度阈值(ΔTsub=20 K)接近。

过冷度，K：a——17；b——30；c——40；d——55；e——75 图2　蒸汽气泡凝结过程 Fig.2　Condensation process of vapor bubbles

2.2过冷度对微气泡尺寸及速度的影响

图3、4分别示出不同过冷度下，蒸汽气泡破碎后1 ms内的微气泡直径和速度分布。从图3可看出，微气泡直径在30 K过冷度下主要集中在0.05～0.2 mm，在40 K和55 K过冷度下主要集中在0.02～0.06 mm，在75 K过冷度下主要集中在0.01～0.03 mm。随过冷度的降低，微气泡直径分布范围扩宽。从图4可看出，气泡破碎后形成的微气泡具有极高的速度。在75 K过冷度下所测的最快速度甚至可达4.66 m/s。实验中微气泡速度分布范围随过冷度的升高而扩宽。

图3　不同过冷度下微气泡直径分布 Fig.3　Distribution of microbubble diameter at different subcoolings

图4　不同过冷度下微气泡速度分布 Fig.4　Distribution of microbubble velocity at different subcoolings

图5a示出微气泡平均直径随过冷度的变化以及Tange等[3]所测不同过冷度下直径0.3 mm铂丝上发生MEB时的微气泡平均直径。从图5a可看出，实验中微气泡直径平均值随过冷度的增加而下降，其趋势与Tange等的实验结果一致。较高过冷度下的微气泡直径略大于Tange等的结果，而30 K过冷度下的微气泡直径却较Tange等和其他过冷度下的实验结果大很多。首先，30 K过冷度下的蒸汽气泡破碎过程不剧烈，气泡破碎后形成小气泡偏大。此外，如图2b所示，在t=8 ms时有一些小气泡从大气泡上分裂而出，这些小气泡的尺寸较破碎形成的微气泡大很多。因此，实验中30 K过冷度下的微气泡直径平均值较Tange等的结果和其他过冷度下的微气泡大很多。

图5　过冷度对微气泡平均直径和平均速度的影响 Fig.5　Effect of subcooling on average diameter and average velocity of microbubbles

图5b示出不同过冷度下微气泡平均速度及其与直径0.3 mm铂丝上MEB区域、Ueno等[12]所得管道及孔板注射蒸汽气泡实验中微气泡速度的比较。从图5b可看出，实验中微气泡速度平均值随过冷度升高而增加。这是由于随过冷度的升高，蒸汽气泡的破碎过程更加剧烈造成的。由于实验中蒸汽是脱离后破碎，而MEB区域的气泡是在加热面上破碎，加热部件会阻碍微气泡的喷射过程。因此，实验结果高于铂丝上MEB区域微气泡速度。由于实验中微气泡速度为气泡破碎后1 ms内微气泡速度的平均值，因此，其低于Ueno等[12]所得管道和孔板注射蒸汽气泡实验中微气泡的速度。

2.3过冷度对气泡界面波动的影响

较高过冷度下，由凝结引起的周围液体对蒸汽气泡的惯性冲击较强，且气泡周围无法形成稳定的热边界层，使气泡表面出现剧烈的界面波动。剧烈的界面波动会极大地增加气泡的有效凝结面积，加速气泡凝结，气泡不稳定性增强，最终气泡突然破碎[12-14]。此外，作者前期工作发现，MEB发生时气泡表面上存在剧烈的波动，而膜态沸腾时气膜表面上的波动却不剧烈。为进一步研究过冷度对界面波动的影响，引入界面波动的波数和幅值。如图6所示，界面波动的波长为相邻两个波峰间的距离，波数为波长的倒数，波动幅值为波动凸出气泡表面部分的高度。

图7示出过冷度对破碎前蒸汽气泡波动波数与幅值的影响。在低过冷度下，界面波动的最大幅值和波数均较小，气液界面相对光滑，气泡未发生破碎而是逐渐分裂。在30 K<ΔTsub<40 K时，界面波动剧烈发展，在气泡破碎前其最大幅值和波数均较高，且两者随过冷度的升高而增加。在55 K<ΔTsub<75 K时，凝结作用异常强烈，气泡表面上高幅值波动由于凸出气泡表面较多，被迅速凝结。因此，气泡破碎前波动的最大幅值较小，且随过冷度的升高而下降。然而，高过冷度下界面波动的波数非常高，这同样极大地增加气泡的有效表面积，增强气泡的不稳定性，导致气泡破碎。

图6　蒸汽气泡上界面波动波长 和幅值定义(ΔT sub=40 K) Fig.6　Definitions of wave length and amplitude of surface wave on vapor bubble (ΔT sub=40 K)

综上所述，当过冷度超过30 K时，气泡表面会出现剧烈的界面扰动，气泡的有效换热面积大量增加。这对蒸汽和过冷水之间的传热和传质过程有极强的强化作用。因此，目前的研究工作除可为基于MEB现象设计的高效换热器提供理论基础外，在工程上还可为应用直接接触凝结现象的汽水混合加热器、蒸汽-水喷射器和抑压水池等的设计和运行提供技术支持。

图7　过冷度对破碎前蒸汽气泡波动波数与幅值的影响 Fig.7　Effect of subcooling on wave number and amplitude of wave on vapor bubble before collapse

3结论

本文通过向不同过冷度的过冷水中注入蒸汽来研究过冷度对蒸汽气泡破碎和微气泡喷射过程的影响，得到以下结论。

1) 在低过冷度(ΔTsub=17 K)下，蒸汽气泡逐渐分裂凝结；在ΔTsub=30 K时，蒸汽气泡不仅会突然破碎，在凝结过程中还有尺寸较大的小气泡分裂而出；在高过冷度(40 K<ΔTsub<75 K)下，蒸汽气泡会突然破碎，并形成大量微气泡。

2) 过冷池中蒸汽气泡破碎后形成的微气泡的尺寸和速度在量级上与MEB区域的微气泡的尺寸和速度较接近。随过冷度的升高，这些微气泡直径平均值下降而速度平均值上升。

3) 蒸汽气泡破碎前，其表面上的界面波动的波数平均值随过冷度的升高而迅速增加，最大幅值随过冷度的升高先增加后减少。

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