矩形窄缝近壁附近汽泡运动现象及分析
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第35卷第8期
2007年8月
化 学 工 程
C HEM IC A L ENG I N EER I NG (C H I NA )
V o.l 35N o .8
Aug .2007
作者简介:徐建军(1980 ),男,博士生,从事反应堆热工水力研究;陈炳德(1955 ),男,博士生导师,从事反应堆热工水力研究,E ma i :l
xu jj un2000@sohu .com 。
矩形窄缝近壁附近汽泡运动现象及分析
徐建军,陈炳德,王小军,熊万玉
(中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环国家级重点实验室,四川成都 610041)
摘要:为了深入了解矩形窄缝流道窄边加热区和非加热区附近的流动和换热特性,文中采用高速摄像仪观察和分析了矩形窄缝流道内窄边近壁面附近汽泡的运动行为。
研究结果表明,窄边近壁面附近汽泡的运动形式较为复杂,汽泡可向窄边近壁面或流道中央或竖直方向运动,这种汽泡运动形式的多样性,有利于加热区和非加热区附近流体的交混;描述并建立了汽泡受力物理模型,分析了窄边近壁面汽泡的运动机理。
关键词:窄缝;窄边;汽泡
中图分类号:TL 331 文献标识码:A 文章编号:1005 9954(2007)08 0022 03
Pheno m e non and analysis of motive bubbles near t he
narro w si de in a rect angul ar narro w c hannel
XU Jian j un ,C HEN B i n g de ,WANG X iao j un ,X I ONG W an yu
(Nati o na lKey Laboratory of Bubb le Physics&Natura lC irculati o n ,N uc lear Po w er I nstit u te of Ch i n a ,
Chengdu 610041,Sichuan Prov i n ce ,China)
Abst ract :To understand the fl o w and heat transfer character i s tics bet w een the hea ted reg ion and unheated reg ion
near the narro w side in a rectangu lar narro w channe,l the behav i o r of m o ti v e bubbles near the narro w side i n a rectangu lar narr ow channelw as i n vesti g ated and ana l y sed by m eans of the h i g h speed d i g ital ca m era .The results sho w that the behav i o r ofm o tive bubbles near the narro w si d e w as co mp lex ,and the bubbles can sli d e tow ards the narro w side or the center o f channel or the vertica l direction ,the diversities o f the m o ti v e bubb l e s contri b uted to the hydrodyna m ics exchange bet w een the unheated reg i o n and the heated reg i o n .The physi c al mode l of a bubble w as descr i b ed and established,w hich can explain t h e m echan is m o f the m o ti v e bubbles near the narro w si d e .K ey w ords :narro w channe;l narro w si d e ;bubb le 窄缝流道具有传热温差小,体面比小等优点
[1 3]
,广泛应用在一些追求高性能的军用核动力
堆、研究堆和紧凑式换热器中。
Deborto li 等[1]
在2
种不同窄边侧面厚度的情况下研究了矩形窄缝内的临界热流密度(C H F),发现角上的热流密度明显高
于宽面中部的热流密度。
Deborto li 和Troy 等研究了热工参数、板隙以及流动方式对矩形窄缝内C H F 的影响,研究结果表明,窄边削薄的实验本体获得的C H F 比不削薄的本体的C H F 高18% 45%。
Levy [4]
和Chernobay 等[5]
的研究也表明烧毁点发生在矩形通道的角部。
在保证装置安全的基础上,最大限度地提高出口参数,需要在角部附近设计优化的非加热区,从而避免窄边近壁面区域过早地出现C H F 。
然而,设计非加热区后,研究者需要了解加热
区和非加热区的流体是否发生交混行为,以及角部附近汽泡的运动机理,对于正确估算通道的出口参数具有重要的意义,同时也需要明确设计的非加热区在二相下是否能够有效地消除边角效应。
本文采用高速摄像仪观察和分析了矩形窄缝流道内窄边附近流体以及汽泡的运动情况,获得了窄边附近流体和汽泡运动的直观信息,并对窄边及其附近区域的汽泡运动机理进行了分析。
压力为常压,加热方式为单面加热,流动方式为竖直向上,流道间隙为2.2mm ,窄边不发热,宽边角部留有1mm 的非加热边。
1 实验装置
实验回路如图1(a)所示,实验回路主要由柱塞泵、开式水箱、稳压器等部件组成。
开式水箱内的水
由柱塞泵驱动,通过支路和主回路回到开式水箱内,组成一个开式循环回路。
在柱塞泵的后边连接了一个氮气稳压器,其目的是为了减小柱塞泵所引起的压力波动。
实验本体主要由承压体、光学石英玻璃、压紧块、密封装置等部件组成。
如图1(b)所示,一面由光学石英玻璃和压紧块组成,在压紧块上开可视窗口;另一面由加热板、绝缘块和承压体等部件组成。
流道两端的1mm 非加热区在石英玻璃上刻出。
可视窗、不锈钢加热板以及石英玻璃就构成了窄缝流道,通过O 形圈实现流道的密封。
图1 实验装置Fi g .1 Experi m ental apparatus
2 实验现象及讨论
在同一质量流速G 和相同位置下,逐渐增加热
流密度,采用高速摄像仪观察了窄边近壁区域内流体以及汽泡的运动情况,如图2所示。
随着热流密度的增加,通道内由单相流体过渡到汽液二相,汽泡首先出现在加热面上,并且在高过冷沸腾时,在加热区和非加热区的交界处,存在较大的密度差,冷热流体不断地交混,出现了一系列较为明显的涡旋,表明高过冷沸腾且窄边没有出现汽泡时,两区内的流体交混以涡旋为主。
继续增加热流密度,汽泡数目逐渐增多,非加热区域内也出现了运动的汽泡,在这种情况下,没有观察到两区交界处有涡旋存在,原因在于汽泡增多后,汽泡界面上热量的传递以及滑移过程中所引起的尾流成为该区域换热的主要形式,汽泡的滑移促使了两区内流体的快速交混,密度差大大减小,涡旋消失。
同时,还观察到汽泡从核化点直
接脱离,沿加热面向上滑移,吞并小汽泡是汽泡长大
的主要形式之一,并有可能形成较大的汽泡,如图2(c)中所示,汽泡的直径达到了1.5mm 。
继续增加热流密度,汽泡开始离开加热面,跃升到主流中去,如图2(d)和(e)所示,汽泡浮起,并在加热面投下了阴影,有明显的汽泡冷凝现象,此种情况下,加热区内出现了大量的汽泡,在通道内摇摆,窄边非加热区内汽泡的数量也逐渐增多,不断地发生聚合现象,整个通道内出现了复杂的二相湍流流动。
通过窄边附近汽泡行为观察,可以明确,设计1mm 非加热区后,可以避免窄边近壁的边角效应,并且加热区和非加热区内的流体存在明显的水动力和热力的交混。
图2 不同热流密度q 下窄边附近的运动汽泡
[G =276.9kg/(m 2 s )]
F i g .2 M oti ve bubb l es near t h e n arro w s i de under t h e differen t heat fl ux
q at G =276.9kg /(m 2 s)
为了进一步了解窄边附近汽泡的运动机理,高过冷沸腾下,观察了窄边附近单个汽泡的运动行为。
典型图片如图3所示,a 点为拍摄汽泡的初始位置,
b 点为同一汽泡的另一位置。
其运动形式会出现以下3种情况:!沿竖直方向向上滑移;∀向左靠近窄边壁面滑移;#向右靠近流道中心方向滑移。
这种汽泡运动的多样性,有利于窄边近壁区域的换热。
23 徐建军等 矩形窄缝近壁附近汽泡运动现象及分析
通过大量的图片观察,一般来说,对于相同直径的汽泡,其他条件相同时,随着质量流速的增加,汽泡运动速度增大。
特别值得注意的是对于直径大小相似的汽泡,在同一位置观察到窄边非加热区内汽泡的速度有时甚至高于加热面上汽泡的速度,如图3所示,(a),(b)2副图片表示加热面上的汽泡在大约5.3m s时从视窗内消失,而(c),(d)2副图片表示在非加热区内汽泡大约在3m s时从视窗内消失,显然,非加热区内汽泡的运动速度较快,这主要是由于窄边设计非加热区后,该区域内汽泡生长较慢,要和加热面上汽泡的直径相同,需要更长的时间来吸收热量,即在非加热区内汽泡加速的时间更长些,导致该区域内汽泡的运动速度比加热区内的快。
G=276.9kg/(m2s),t
i n =40∃,q=0.252MW/m2,t
out
=68.5∃
图3 同一位置不同时刻窄边附近汽泡的运动行为
F i g.3 Bubb l e behavi or near the narrow si d e under
d ifferent ti m es at t h
e s a m e locati on
3 窄边非加热区附近汽泡受力模型及分析
由于汽泡处于加热区和非加热区的交界及其附近区域,该区域靠近窄边壁面,汽泡处于一个非对称流场和温度场中。
汽泡受力主要包括浮力、惯力、相间曳力、壁面附近的滑移 剪切升力(Saff m an力)和汽泡旋转时产生的M agnus力[6]。
窄边附近汽泡受力模型如图4所示。
其中,F V为浮力,F L为由速度梯度场所引起的Sa ff m an力,F d为竖直方向上的曳力,F ML为汽泡旋转时所引起的M agnus力。
在水平方向上,由于流体的粘性作用,在壁面附近产生了有梯度的流场,即汽泡处于横向梯度场中,由于两边的相对速度不同,汽泡发生旋转,使得相对速度较高的一边的流体速度增加,压强减小,而另一边的流体速度减少,压强增加,使得汽泡向速度较高的一边运动,产生了M agnus力F ML,力的方向指向流道中心。
F ML= r3 f%(v f-v p)[1+0(R e)](1)式中,为汽泡旋转角速度,v f为汽泡中心处流体的速度,v p为汽泡速度, f为流体密度。
图4 汽泡模型
F i g.4 M odel of t h e bubb l e
由于近壁面附近流体的速度较低,汽泡处于横向速度梯度场中,汽泡即使不旋转也将会承受横向升力,即Saff m an力,在竖直向上的汽液二相流中,汽泡运动一定的时间后,则v P>v f,因此,F L的方向指向壁面。
F L=K rp( f!)0.5
∀v f
∀y
0.5
|
v f-v p
|
(2)式中,F L为滑移剪切升力,K r p为系数,!为流体的动力粘度。
在水平方向上,!当F ML>F L时,汽泡向右靠近流道中心方向滑移;∀当F M L=F L时,汽泡沿竖直方向向上滑移;#当F ML<F L时,汽泡向左靠近窄边滑移。
实际上,加热区和非加热区交界处的汽泡还处于非对称温度场中,汽泡界面上有可能存在一定的温度梯度,将导致表面张力梯度,促使汽泡界面上球形热毛细对流的发生,由此产生了M arangoni力,该力也可能导致汽泡在水平方向上产生一定的运动。
4 结论
(1)采用高速摄像仪对窄边近壁面附近汽泡行为进行了观察,明确窄边设计1mm非加热区后,可以有效地避免窄边近壁面的边角效应,并且加热区和非加热区内的流体存在较为明显的水动力和热力的交混,随着热流密度的增加,其交混形式发生了变化。
(2)窄边近壁面附近汽泡的运动行为非常复杂,汽泡可向窄边近壁面或流道中央或竖直方向运动,这
&下转第52页∋
2.2.3 澄清温度
以加入澄清剂后所产生的絮状物的质量为指标进行选择,取100.0mL 待澄清液于250mL 锥形瓶中,先加入B 组分1.20g /L ,于不同温度下保温30m in ,再加入A 组分0.60g /L ,继续保温30m in 后离心分离,其他操作同1.2.3节所述,测得结果如图6所示。
从图中可以看出,温度对于山楂叶总黄酮酶解提取液的澄清效果影响范围较小,ZTC (型天然澄清剂作用温度不宜过高,以40∃
效果最好。
图6 温度对澄清效果的影响
Fi g .6 E ffect of clarifyi ng te mp erature on cl arif y i ng effects
2.2.4 澄清时间
取100.0mL 待澄清液,加入B 组分1.2g /L,于40∃下保温一定时间,再加入A 组分0.6g /L,继续保温与B 组分相同的时间,经静置离心分离沉淀,测定所形成絮状物的质量,结果如图7所示。
从图中可以看出,对于山楂叶酶解提取液,加入澄清剂B ,A 后,在40∃下分别反应40m i n
澄清效果最好。
图7 澄清时间对澄清效果的影响F i g .7 E ffect of cl arif y i ng ti m e on clarifyi ng eff ects
3 结论
采用酶解 吸附澄清法提取山楂叶总黄酮,在固定料液比为1)20的条件下,得出较佳提取工艺条件为:酶解温度55∃,酶质量浓度0.15mg /mL ,酶解时间125m in ,酶解p H 值5.0;在酸性或近中性的酶液中,先加入ZTC II 型天然澄清剂B ,在40∃下作用40m i n ,然后加入ZTC II 型天然澄清剂A,再在40∃下保温作用40m i n ,澄清剂B 和A 的用量分别为1.2g /L 和0.6g /L 。
酶法提取步骤结束后,加入ZTC II 型天然澄清剂在适宜的温度下澄清,不仅有利于提取液中蛋白质、鞣脂等杂质的絮凝,而且有利于山楂叶总黄酮的浸出,二者耦合可使后续分离步骤如大孔吸附树脂精制、膜分离等过程简化,降低生产成本。
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&上接第24页∋
种汽泡运动形式的多样性,促进了该区域的换热。
(3)描述并分析了窄边附近汽泡的受力模型,初步解释了窄边近壁面附近汽泡的运动机理。
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