李少丹，谭思超，高璞珍，许 超，胡 健，郑 强

（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）

周期力场下窄通道内汽泡滑移实验研究

李少丹，谭思超，高璞珍，许 超，胡 健，郑 强

（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）

为了探索海洋条件下的沸腾换热机理，完善海洋条件下两相流动模型，采用高速摄影设备对摇摆状态周期力场下矩形窄通道内的汽泡滑移进行了实验研究。实验结果表明，在摇摆运动的影响下，汽泡的滑移速度发生了周期性波动，波动的周期与摇摆运动周期基本一致；摇摆运动所引起的附加惯性力以及系统流量的波动对汽泡滑移速度波动影响不大，摇摆运动所引起的汽泡直径变化是影响汽泡滑移速度波动的主要原因。

周期力场；摇摆运动；汽泡滑移；矩形窄通道；流动沸腾；海洋条件；汽泡直径

受海洋条件或者地震的影响，流动沸腾换热设备会受到周期性变化的外力场作用。摇摆运动是周期性外力场作用的一种重要形式，它不仅会改变通道的流动特性，还会使通道内的换热特性发生变化［1-5］。汽泡贴近加热壁面的滑移运动是沸腾通道内汽泡的一种重要运动形式，汽泡的滑移对通道换热有着重要的影响［5-8］。外力场的改变所带来的直接结果就是改变汽泡所处的加速度场，从而影响汽泡滑移过程中所受到的浮力。周期力场对流动沸腾也会产生一些间接的影响，例如改变加热表面附近的流场和温度场分布，从而使通道内的汽泡行为发生改变。目前已有研究大多是针对静止状态下的汽泡滑移进行的［9-12］，影响摇摆运动下汽泡滑移的主要因素尚未确定，本文将对摇摆周期力场影响下的汽泡滑移进行实验研究。

1 实验装置

本研究所采用的实验回路如图1所示，回路主要由可视化沸腾实验段、电加热预热器、管壳式冷凝器、稳压器、储水箱、循环泵、体积流量计以及阀门和附属管道组成。实验所用工质为去离子水，对其中的不凝结气体进行排除之后进行实验。实验段通道为矩形窄通道，窄边高度为2 mm。对实验段内的过冷沸腾汽泡采用高速摄影仪进行拍摄，摇摆运动过程中摄像机的拍摄位置固定。高速摄影仪的布置方式、实验段结构以及汽泡图像数据处理方法可参考文献［10］。

图1 实验回路示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental loop

本文摇摆实验在液压驱动摇摆实验平台上完成，如图2所示，图中同时给出了实验段相对于摇摆台的位置，通过控制电磁比例调节阀控制液压杆的往复运动实现摇摆台的正弦摇摆运动。在摇摆轴的中心处安装有码盘式角度传感器，最小测量分度为0.01°，通过该角度传感器可以监控摇摆台的状态，并且作为使摇摆台进行正弦运动的控制信号。

图2 摇摆台结构示意图Fig.2 Configuration of the rolling plate

摇摆台摇摆角度随时间变化函数可表示为

式中：θ（t）为瞬时摇摆角度，θm为摇摆运动的最大角度，T0为摇摆周期，t为时间。 对上式进行求导之后可以得到摇摆角速度与摇摆角加速度分别为

摇摆运动过程中涉及到正负角度的定义问题，本文中摇摆角度相对于实验段定义如图3所示。即加热壁面向下时定义为负角度，加热壁面向上时定义为正角度。

图3 摇摆运动角度的定义Fig.3 Definition of the rolling angle

2 实验结果及分析

2.1 摇摆运动下汽泡滑移速度规律

摇摆运动条件下的汽泡滑移速度如图4所示。系统压力为0.2 MPa，质量流量为454.2 kg／（m2· s），入口过冷度为30.98℃，热流密度为115.8 kW／m2。摇摆周期分别为8 s和16 s，最大摇摆角度为10°和15°。为了更加清楚地研究摇摆对汽泡滑移的影响，图中所给出的汽泡滑移速度为平均之后的值，每50帧图片所得出的速度取一次平均，即图中给出的是10 ms内所有汽泡滑移速度的平均值，后面对摇摆运动条件下的其他汽泡参数采用类似的处理方法。

图4 摇摆运动下汽泡滑移速度的变化Fig.4 Variation of the bubble sliding velocity under rolling motion

由图4可见，汽泡滑移速度的波动周期和摇摆运动的周期较为接近，汽泡滑移速度几乎随摇摆角度反向变化，汽泡滑移速度在摇摆角度为最大正角度时达到最小值，在摇摆角度为最大负角度时达到最大值。摇摆运动条件下汽泡速度在竖直状态速度的上下波动，但是汽泡速度的波动并不严格按照简谐规律进行。图中同时给出了竖直静止状态下的汽泡滑移速度，在大部分时间内，汽泡滑移速度在摇摆运动下要比竖直静止状态下的汽泡速度大一些。

2.2 摇摆运动下汽泡速度波动影响因素

摇摆运动所引入的非惯性加速度会改变汽泡所处的外力场，直接改变汽泡所受到的浮力，造成汽泡滑移速度的周期性变化。摇摆运动也可能会改变汽泡周围液体的流动，通过曳力的作用间接改变汽泡的滑移速度。在摇摆运动的过程中，汽泡的有效直径有可能会发生变化，由此同时改变汽泡所受到的曳力以及浮力的大小，进而对汽泡的滑移产生影响。下面将从这几个方面对摇摆运动条件下的汽泡滑移进行分析。

将汽泡所受浮力分别沿流动方向和垂直于加热壁面方向进行分解。如下所示：

式中：α为汽泡所在位置与摇摆轴心连线和摇摆台之间的夹角，LR为摇摆轴心与汽泡所在位置间的距离，ρl为液体密度，Vb为汽泡体积，g为重力加速度，vb为汽泡速度。在这里应该当指出，在汽泡上升的过程中，LR与α的大小会发生变化，上式并未对此进行严格的考虑，但是由于本实验中拍摄窗口较小，汽泡所在的位置相对比较固定，所以采用上式并不会产生太大的误差。

从浮力角度来讲，汽泡的滑移速度将主要受到y方向浮力的影响，在汽泡直径不发生变化的情况下，摇摆运动条件下浮力沿y方向的分量与竖直条件下汽泡所受浮力的比值变化如图5示，其中Fy为竖直静止状态下同样大小汽泡所受的浮力。

从图5中可以看出摇摆运动条件下汽泡所受的浮力的要小于竖直状态，浮力变化的幅度随着摇摆最大角度的增大而增大，随摇摆周期的增大而减小，汽泡所受的浮力的大小的变化幅度在5%以内。汽泡所受浮力变化的周期与摇摆周期有所不同，出现了复合波动，复合的频率为摇摆运动频率的二倍。由于汽泡的滑移速度与其所受到的浮力成正比，因此如果摇摆运动下汽泡的滑移速度主要受非惯性加速度影响，那么滑移速度的变化应该与此时浮力的变化趋势相同。然而，对比图4可以发现，汽泡的滑移速度受非惯性加速度影响较小，因此汽泡滑移速度的变化可以归结为汽泡所受曳力的影响。

图5 摇摆运动中汽泡所受浮力的变化Fig.5 Bubble buoyancy frces under rolling motion

摇摆运动过程中液体流动速度是否发生波动以及波动幅度的大小主要取决于驱动压头、流动阻力以及摇摆引入的附加作用之间的关系。当驱动压头比摇摆运动附加作用大很多时，摇摆运动基本不会引起流量波动，而当驱动压头与摇摆运动附加作用相当或者较小时，摇摆运动就会引入较为明显的流量波动。本实验装置中，液体主流流速在摇摆运动条件和竖直静止状态下的数值如图6所示。

同样对比图6与图4中数据的变化趋势与摇摆角度之间的关系，可以得出以下结论，摇摆所引起的液体流动速度变化与汽泡速度变化的趋势基本相反，也就是说，在摇摆运动条件下液体流动速度的增加反而引起汽泡速度的减小。图中所示的液体速度波动幅度较小，最大相对波动幅度不到2%，而汽泡滑移速度波动幅度在60%左右。因此摇摆运动所致的流体流量波动并不是影响汽泡滑移速度波动的主要因素。

图6 摇摆运动下局部流速的变化Fig.6 Variation of the local fluid velocity under rolling motion

下面对摇摆运动过程中的汽泡等效直径进行考察，图7给出了摇摆运动条件下的汽泡等效直径随摇摆角度变化的数据。汽泡等效直径随摇摆运动产生了周期性变化，波动周期基本与摇摆运动周期保持一致。摇摆运动条件下汽泡等效直径的平均值要比竖直状态大一些，汽泡等效直径在摇摆角度最小时，即加热面向下最大负角度时达到最大值，汽泡等效直径在摇摆角度最大时，即加热面向上最大正角度时达到最小值。对比图4可以看出，汽泡滑移速度的变化与汽泡直径的变化基本保持一致。由于汽泡较小时，汽泡的滑移速度与汽泡的直径成正比，因此可以得出结论，在窄通道过冷沸腾摇摆运动条件下，汽泡等效直径的变化是影响汽泡滑移速度的重要因素。

图7 摇摆运动下汽泡直径的变化Fig.7 Variation of bubble diameter under rolling motion

影响摇摆运动下汽泡直径变化的因素很多，对于摇摆这样的非稳态系统更是如此。由于本实验条件下入口过冷度以及表面热流密度基本保持不变，因此影响摇摆运动下汽泡直径波动的主要因素有质量流量、壁面过热度以及当地局部压力的变化。如前所述，回路采用强迫循环，因此回路流量变化不大。与此同时摇摆运动下的表面过热度以及入口压力都发生了周期性变化，壁面过热度的波动幅度也比较小（小于2℃），而入口压力的变化幅度可以达到10%左右，如图8所示。系统压力的变化造成了壁面汽泡生长情况的不同，随着压力的升高汽泡生长速度有所降低，汽泡直径减小，即通道内汽泡直径的变化趋势与入口压力的变化趋势相反。另一方面，摇摆运动过程中加热壁面向上时，在垂直于加热面方向浮力分量的作用下汽泡底部的接触圆直径相比于加热面向下时要小一些，根据微液层蒸发理论此时的微液层蒸发量较小，由此汽泡等效直径在加热面向上时较小，反之亦然。根据以上分析，摇摆运动下汽泡直径的变化主要受局部压力的波动以及加热壁面朝向不同所引起接触圆直径的变化的影响。有关各个参数的具体影响还需进一步研究。

图8 摇摆运动下入口压力的变化Fig.8 Variation of the inlet pressure under rolling motion

综合以上分析，摇摆运动条件下的汽泡滑移速度产生了周期性波动，汽泡所在外力场、汽泡周围流体的速度以及汽泡的等效直径都发生了周期性变化，然而非惯性力场所导致的浮力变化和汽泡周围流体速度的变化对汽泡滑移速度的影响不大，决定汽泡滑移速度变化的是汽泡等效直径的变化。也就是说，摇摆运动改变了过冷沸腾窄通道的入口压力以及汽泡底部微液层蒸发面的大小，进而使的汽泡等效直径发生了周期性波动，由此间接对汽泡的滑移速度产生了影响。

4 结论

本文针对摇摆运动周期外力场作用下窄通道内的汽泡滑移进行了可视化实验研究，分析实验数据之后得到了以下主要结论：

1）摇摆运动下汽泡滑移速度产生了周期性波动，波动周期与摇摆运动周期基本一致。

2）摇摆运动过程中当地液体流速和汽泡所在力场都发生了周期性变化，然而这些并非影响摇摆运动下汽泡滑移速度波动的主要因素。

3）决定摇摆运动下汽泡滑移速度波动的主要因素是汽泡等效直径的变化，摇摆运动所造成的入口压力波动以及汽泡底部微液层蒸发面直径的变化是造成汽泡等效直径变化的主要原因。

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（责任编辑：陈峰）

Experimental study of bubble sliding in a narrow channel in a periodic force field

LI Shaodan，TAN Sichao，GAO Puzhen，XU Chao，HU Jian，ZHENG Qiang
（Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The purpose of this paper is to explore the mechanism of the boiling heat transfer and to improve the twophase flow model under ocean conditions.Bubble sliding in a narrow rectangular channel in a rolling motion was experimentally studied by using the high speed camera in this paper.The results show that the bubble sliding velocity was periodically changed with the rolling motion and the period of the variation was similar with that of the rolling motion.The effects of additional inertial acceleration on the buoyancy force and the variation of the flow rate caused by the rolling motion will not influence the fluctuation of the bubble sliding velocity in the periodic force field.The variation of the bubble size caused by the rolling motion is the key factor that determines the fluctuation of the bubble sliding velocity.

periodic force field；rolling motion；bubble sliding；narrow rectangular channel；flow boiling；ocean condition；bubble diameter

10.3969／j.issn.1006-7043.201301035

TL331；TK124

A

1006-7043（2014）08-1040-05

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.html

2013-01-19. 网络出版时间：2014-06-27 15：24：45.

中央高校基本科研业务费专项基金资助项目（HEUCFZ1008）.

李少丹（1988-），男，博士研究生；谭思超（1979-），男，教授，博士生导师.

谭思超，E-mail：tansichao＠hrbeu.edu.cn.