竖直矩形窄缝通道滑移汽泡聚合作用可视化实验研究

滑 移 汽泡 周 围存 在典 型 的涡 旋 ， 实 了 滑移 汽 证 泡 提高 了换 热能 力 。他们 认 为滑 移汽 泡 的换 热
主 要 来 自于 两 部 分 ： ）微 液 膜 蒸 发 和 导 热 ， １ 其 中 导 热 占 １ ； ）滑 移 汽 泡 尾 流 。 Ｂ ｒｓ ［ ７ ２ ａｉ 等 １ 在 池 沸 腾 矩 形 通 道 内 发 现 滑 移 汽 泡 底 部 微 液 膜
第４ 卷第５ ５ 期
２１ 年５ ０
学
技
术
Ｖｏ． １ ４５， ＮＯ． ５ Ｍ ａ ０１ ｙ２ １
Ａ ｔ ｍ ｉ ｅ ｇ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｅ ｈ ｌ ｇｙ ｏ ｃ Ｅｎ ｒ ｙ Ｓｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎｏ ｏ
竖 直 矩 形 窄 缝 通 道 滑 移 汽 泡 聚 作 用 合
第５ 期
徐 建 军 等 ： 直矩 形 窄 缝 通 道 滑 移 汽 泡 聚合 作 用 可 视 化 实 验 研 究 竖
５９ ４
在 经典 沸 腾 理论 框 架 中 ， 究 者 通过 核 化 研 点 密 度将 单 个 汽泡 和 宏 观 传热 量 进 行 联 系 ， 即
通 过 线 性 叠 加 的方 法 获 得 汽 泡 生 长 和 脱 离 对 传
英玻 璃 ） 中加 工 和制作 矩形 窄缝 通道 ， 同时对矩
形 窄 缝 通 道 中 的 ３个 表 面 进 行 精 细 抛 光 ， 透 其
蒸 发 和 汽泡 尾 流提 高 了局 部换 热 系数 ， 建立 了
光 率 达９ ％ 以上 ， 从 流道 宽面 和 窄 面进 行可 ５ 可
圈
电
电 偶
图 １ 实验装置示意 图
的地 位或 许更 加 重 要 。因此 ， 究 窄 缝 通 道 内 研
近 壁 滑 移 汽 泡 的 聚 合 作 用 特 性 有 助 于 进 一 步 深 入 了解其 沸腾 传热 机理 。
本文 采用 高速 摄像 仪 可视化 观察 窄缝 通道 内孤 立 汽 泡 区域 内滑 移 汽 泡聚 合 特性 ， 得低 获
ｗｉ ｉ ａ ｎａ ｒ ｄｅ ｓｄｅ ｎｄ ｒ ｏｗ ｉ ｏ ｈｅ ａ ｒ ｗ ｒ ｃａｎ ｌ ｒ ｃ ａ ｅ ｕ ｉ ｇ ｈｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｄ ｇｉａ ｓｄｅ ｆ ｔ ｎ ｒ ｏ ｅ ｔ ｇｕ ａ ｈ ｎｎ ｌ ｓｎ ｇ ｐ ｅ ｉ ｔ ｌ
ｃ ｍ ｅ ａ Ｔ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈｏ ｔ ａ ｔ ｅ ｃ ａ ｅ ｃ ｄ ｔｍ ｅ ａ ｏ ｈｅ ｓ ｉ ｎｇ ｂｕｂ ｅ ｓ ｑ ｃ ａ ｒ． ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｗ ｈ ｔ ｈ ｏ ｌ ｓ ｅ ｉ ｍ ｎｇ ｔ ｌ ｄｉ ｂｌｓ ｉ ｕｉｋ， ａ ｈ ｗ ｏｒ ａ ｉｎ ｏｆｃ ａ ｅ ｃ ｄ ｂ ｂｌ Ｓｎｏ ｉｔｏ ｆ ｎｄ ｉ ｏｎ ｉ ｕｅ ｏ ｓｉ ｅ ａｏｎ ｎｄ ｔ ｅ ｎｅ ｆ ｍ ｔｏ ｏ ｌ ｓ ｅ ｕｂ ｅ ｉ ｔ１ｆ— ｆ 。ａ ｔｃ ｔｎ ｓ ｔ ｌｄ ｌ ｇ ｔ ａ ｅ ｕ ｆ ｃ ｎ ｌ ｗ ｅ ｔｆｕ ｏ ｈｅ ｉｏｌｔ ｄ ｂ ｂｌ ｅ ｉ ｎ． Ｔ ｈｅ ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｒ ｇ ｏ ｈｅ ｈｅ ｔ ｄ ｓ ｒ ａ ｅ ｉ ｏ ｈ ａ ｌ ｘ ｆ ｒ ｔ ｓ ａ ｅ ｕｂ ｅ ｒ ｇ ｏ ｎ ｌｅ ｃ ｅ ｉｎ
热 流密 度 下 滑 移 汽泡 间聚 合作 用 的直 观信 息 ，
分 析 滑 移 汽 泡 开 始 相 互 作 用 的 影 响 区 域 ， 探 讨 并
系［ ｊ 丰 富 了经 典 沸 腾理 论 的研 究 内涵 ， 利 ２ ， 有
于沸腾 理论 的进 一 步 完 善 。在 现 有 的研 究 中 ，
ｃ ａｅ ｃ ｄ ｉ ｅ ａ ｔｏｎ ｆ ｇｒ ｗｉ ｇ ｂｕ ｌ ｉ ｔ ｅ ｏ ｌｓ ｅ ｎｔ ｒ ｃ ｉ ｏ ｏ ｎ ｂｂ ｅ ｎ ｈ ｎｕ ｌ ａ ｉ ｎ ｉｅ ｂｕ ｌ ｌ ｔｏ ｆ ｗａ ｃｅ ｔｏ ｓｔ ｓ ｏｎ ｂｂ ｅ ｉ — ｆ ｓ ｆ
ｄ ｓ ｕｓ ｅ ｎ ｎａ ｙ ｅ ｉ ｃ ｓ ｄ ａ ｄ ａ ｌ ｓ ｄ． Ｋｅ ｒ ： ｓｉ ｉ ｕｂｂ ｅ；ｃ ｌｓ ｅ ｎ ｅ ａ ｔｏｎ； ｎ ｒ ｏｗ ｈ ｎｎ ｌ ｙ ｗｏ ｄｓ ｌｄ ｎｇ ｂ ｌ ｏａｅ ｃ ｄ ｉ ｔ ｒ ｃ ｉ ａｒ ｃ ａ ｅ
Ｆｉ ．１ Ｓｃ ｍ ｅｏｆｅ ｅ ｉ ｅ ａ ｐｐａ ａ ｕｓ ｇ ｈｅ ｘｐ ｒｍ ｎｔ ｌａ ｒｔ
Ｃｈｅ ｎｇｄｕ ６１ ０ ０ ４１， Ｃｈｉ ａ） ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｓ ｉ ｈ ｃ ａ ｅ ｃ ｄ ｌｄ ｎ ｓｒｃ ： ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｏｆ ｔ ｅ ｏ ｌｓ ｅ ｓｉ ｉ ｇ ｂｕｂ ｅ ｗａ ｉ ｕ ｌｙ ｂｓ ｒ ｅ ｂｙ ｂｌ ｓ ｖ ｓ ａ ｌ ｏ ｅ ｖ ｄ
排 出 。改造后 的实 验 支 路 能 满 足 实验 的要 求 ， 可 保 证 实 验 段 出 口 压 力 为 ０ １Ｍ Ｐ ， 量 波 动 ． ａ 流 范 围在 ２ 以 内。实 验 本 体 如 图 １ ｂ所 示 。 流 道 截 面 尺 寸 为 ２ｍｍ ×８ｍｉ ， 可 视 窗 （ 学 石 Ｔ在 ｌ 光
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌＶ ｉ ｕ ｌ ａ ｉ ｎ Ｃｏ ｌ ｓ ｅ ｎｔ ｒ ｃ ｉ ｎ ｏ ｌｄ ｎ ｂ ｌ ｐ ｒ ｍ ｎ ａ ｓ ａ ｉ ｔｏ ａ ｅ ｃ ｄ Ｉ ｅ ａ ｔｏ ｆ Ｓ ｉ ｉ ｇ Ｂｕ ｂ ｅ ｚ Ｎ ｅ ｒ Ｗ ａ ｌｉ ｒ ｉ ａ ａ ｒ ｗ ｅ ｔ ｎ ｕ ａ ａ ｎｅ ａ ｌ ｎ Ｖｅ ｔｃ ｌＮ ｒ ｏ Ｒ ｃ ａ ｇ ｌ ｒ Ｃｈ ｎ ｌ
可 视 化 实 验 研 究
徐建军， 陈炳德， 王小军
（ 中国 核 动力 研 究 设 计 院 空 泡 物 理 和 自然 循 环 重 点 实验 室 ， 川 成 都 四 ６０ ４ ） １ ０ １
摘 要 ： 用 高 速 摄 像 仪 从 宽 面 和 窄 面 立体 可 视 化 观 察 了 滑移 汽 泡 问 的 聚 合 特性 。研 究 结 果 表 明 ， 采 在低 热 流 密 度孤 立 汽 泡 区域 ， 壁 滑 移 汽泡 间 的 聚 合 作 用 过 程 较 快 ， 合 重 新 形 成 的 汽 泡 仍 沿 加 热 面 平 行 滑 近 聚 移 ； 滑 移 汽 泡 间 开 始 相 互 作用 的影 响距 离 约 是其 平 均 直 径 的 ２倍 ， 移 汽 泡 问 的 聚合 作 用 是 一 种 积 极 在 滑
微液 膜换 热数 值模 型 ， 算 出 了微 液膜 的厚 度 。 推
与 常 规 通 道 相 比 ， 种 近 壁 滑 移 汽 泡 以 及 它 们 这 之间 的 聚合作 用在 窄缝 通道 有 限的空 间 内所 占
热 的影 响 ， 略 了汽泡 间 的非线 性相 互 作用 口 。 忽 ］ 实 际上 ， 沸腾 是一 个 复杂 的过 程 ， 现 为强烈 的 表
收 稿 日期 ： ０ ０ ０ — ６ 修 回 日期 ： ０ ００ — ５ ２ １—３２ ； ２ ｉ —５ １ 基 金 项 目 ： 国核 动 力 研 究 设 计 院 空 泡物 理 和 自然循 环 重 点 实 验 室 资助 项 目（ ５ ０ ０ ） 中 ０ ６ １ ３ 作 者 简 介 ： 建 军 （ ９ Ｏ ） 男 ， 东 沂水 人 ， 理研 究 员 ， 士 ， 徐 １８ 一 ， 山 助 博 从事 反 应 堆 热 工水 力 研 究
ｉ ａ ｏ ｔ２ｔｍｅ ｒｊｃ ｅ ｒ ａｏ ｈ ｌ ｉｇ ｂ ｂ ｌ ｅ ｈ ｌ ｉｇ ｂ ｂ ｌｓ ｂ ｇｎ ｔ ｓ ｂ ｕ ｉ ｓｐ ｏｅ ｔｄ ａ ｅ ｆｔ ｅ ｓｉ ｎ ｕ ｂｅ ｗｈ ｎ ｔ ｅ ｓｉ ｎ ｕ ｂ ｅ ｅ ｉ Ｏ ｄ ｄ
ｉ ｅ ａ ｔ Ｔｈｅ ｓｉ ｉ ｂ ｂｌ ｅ ｏ ｉｉｓ ｉ ｃ ｅ ｓ ｏ ｔ ｈｅ ｉ ｅ ａ ｔｏ ｍ ｏ ｇ ｔ ｂ ｂ— ｎｔ ｒ ｃ ． ｌｄ ｎｇ ｕｂ ｅ ｖ ｌ ｃｔｅ ｎ ｒ ａ ｅ ｄｕ ｏ ｔ ｎｔ ｒ ｃ ｉ ｎ ａ ｎ ｈｅ ｕ ｂｅ ｌ ｓ，ｗ ｈｉｈ ｃ ｎｔ ｉ ｔ ｓ ｔ ｎｈ ｎ ｅ ｅ ｔ ｒ ｎｓ ｅ ｆ ｔ ｉ ｅ ｉ ｎ Ｆｉ ａｌｙ， ｔ ｅ ｆ ｃ ｆ ｃ ｏ ｒｈｕ ｅ ｏ ｅ ａ ｃ ｈ ａ ｔ ａ ｆ ｒ ｏ ｈ ｓ ｒ ｇ ｏ ． ｎ ｌ ｈｅ ｆｅ ｔ ｏ
的作 用 ， 同 使 得 滑 移 汽 泡 的运 动 速 度 增 加 ， 利 于 该 区域 附近 换 热 的提 高 。最 后 探 讨 了核 化 生 长 汽 泡 共 有
间 的作 用 及 其 对 汽 泡 浮 升 的 影 响 。 关键词 ： 滑移 汽 泡 ； 合 作 用 ； 缝 聚 窄 中图 分 类 号 ： ＴＫ１ ４ Ｔ ３ ２ ；Ｉ １ ３ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０ ６ ３ （ ０ １ ０ — ５ ８０ １ ０ — ９ １ ２ ｌ ） ５０ ４ — ６
随 机 性 、 线 性 ， 何 把 沸 腾 中 的 非 线 性 作 用 与 非 如 经 典 理 论 进 行 有 机 结 合 一 直 都 是 沸 腾 现 象 研 究 的难 点 和 瓶 颈 所 在 。 随 着 测 量 技 术 的 快 速 发 展 ， 究 者 开 始 重 研 视从 微 观角 度探 析沸腾 中汽泡 间 的相 互作用 关
观察到 ， 升流 时 ， 上 汽泡脱 离 核化 点后 均沿 加热 面滑移 ， 观察 到汽 泡浮 升现 象 ， 通 过计算 认 未 并
为 滑 移 汽 泡 换 热 量 占 ５ 。Ｑｉ ｕ 。 察 到 ２ ｕ等 。观
氧功 能 ， 每次 实 验时 ， 将 水箱 内 的水加 热至饱 需
和 温度 ， 非凝 结 性 气 体通 过 水 箱 上部 的脉 冲管
孤立汽泡 区汽泡 间的聚合作 用与浮升 的关 系 。
研 究者 基本 都是对 池 沸腾 核化 点处 生 长汽 泡 间
１ 实 验 装 置
实 验 回路 示 于 图 １ 。主要 由柱 塞 泵 、 ａ 开式 水箱 、 压器 、 冲罐 和预 热器 等部件 组成 。实 稳 缓
验 过 程 中 ， 先 将 稳 压 器 内 注 满 水 ， 用 其 高 位 首 利 处 水 的 重 力 压 头 作 为 实 验 支 路 中 水 运 行 的 驱 动 力 ， 验 段 出 口水 直 接 排 放 到 地 沟 。 在 实 验 本 实 体 入 口 附 近 设 置 １个 ６ ｋ 的 预 热 器 ， 具 除 ｗ 兼
ＸＵ ｉｎｊ ｎ Ｊａ —ｕ ，ＣＨＥＮ ｎ — ｅ Ｂｉｇ ｄ ，Ｗ ＡＮＧ ａ —ｕ Ｘｉｏｊ ｎ
（ Ｌ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆ Ｂｕ ｂｅＰｈ ｓｃ Ｋｅ ａ ｏ ａｏ ｙ ｏ ｂ ｌ ｙ ｉｓ＆ Ｎａ ｕ ａ ｉｃ ｌ ｔ ｎ，Ｎｕ ｌａ ｗｅ ｎｔｔ ｔ ｆ ｉａ， ｔｒ ｌＣ ｒ ｕａ ｉ ｏ ｃｅ ｒＰｏ ｒＩ ｓｉ ｅｏ Ｃｈ ｎ ｕ
的聚 合 特性 进 行 可视 化 观 察 和 分析 ， 关 窄缝 有
通 道 内 汽 泡 问 相 互 作 用 研 究 还 鲜 有 报 道 。 在 前 期 可视 化研 究 中 ， 者发 现在 低热 流密 度下 ， 笔 矩 形 窄 缝 通 道 内 存 在 典 型 滑 移 汽 泡 现 象 ］ 在 。。 常 规 通 道 研 究 中 ， 究 者 提 出 了 近 壁 滑 移 汽 泡 研 提 高 了 通 道 内 换 热 。 Ｔｈ ｒ ｃｏｔ ｏ ｎ ｒｆ 等 可 视 化