向文元，呂永紅，趙桂生

（中科華核電技術(shù)研究院，廣東深圳518124）

管束通道廣泛存在于各種工業(yè)換熱設(shè)備中，這些通道的沸騰兩相流流動(dòng)與傳熱特性對(duì)工業(yè)設(shè)備的熱工水力性能和安全可靠性有著重要的影響。由于受管束通道截面特殊幾何結(jié)構(gòu)和通道內(nèi)特殊流型的影響，流體流過(guò)管束間狹窄通道時(shí)所表現(xiàn)出的換熱特性與常規(guī)尺寸直管內(nèi)的不同，流體縱向流過(guò)管束通道時(shí)的沸騰流動(dòng)及傳熱是一種復(fù)雜兩相流問(wèn)題［1］。對(duì)這種特殊流道內(nèi)的流動(dòng)換熱及兩相流型轉(zhuǎn)變特性進(jìn)行研究，有著非常重要的意義。

流型及流型預(yù)測(cè)是兩相流科學(xué)領(lǐng)域中的重要研究課題，在特定流動(dòng)條件下存在的流型種類(lèi)、流型判定方法及建立科學(xué)的流型過(guò)渡判據(jù)是確定兩相流動(dòng)壓力降和傳熱特性的基礎(chǔ)。Bergles［2］應(yīng)用4根直管組成的實(shí)驗(yàn)流道模擬水冷反應(yīng)堆燃料組件對(duì)管束流動(dòng)沸騰進(jìn)行了流型的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在管束的同一截面上會(huì)共存不同類(lèi)型的流型、不同截面的流型過(guò)渡也不同。Grant［3］在臥式帶有折流板的殼管式換熱器模型上采用簡(jiǎn)單的可視化方法研究了空氣－水混合物垂直、水平流動(dòng)時(shí)的流型分布。實(shí)驗(yàn)在不同的氣相和液相條件下得到了垂直和水平流動(dòng)方向上存在的多種流型，包括霧狀流、泡狀流、間歇流、分層－霧狀流和分層流；Chan ＆Shoukri［4］在長(zhǎng)方形實(shí)驗(yàn)段內(nèi)觀察了R113池沸騰條件下的流型。管束為Ф19．05mm的電加熱管長(zhǎng)方形順排單管、3×1、3×3、9×3管束，間距為23．8mm×31．75mm。馬衛(wèi)民［5］對(duì)空氣－水混合物在Ф300mm×7．5mm的透明圓柱形殼體換熱器模型中水平及垂直管束中的流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)可視化觀察發(fā)現(xiàn)氣液兩相沖刷水平管束時(shí)，流型分為光滑分層流和波動(dòng)分層流兩種流型；氣液兩相沖刷垂直管束時(shí)，流型分為細(xì)泡狀流和間歇狀流兩種流型。M．Sadatomi［6］等人在常溫常壓下用空氣－水為工質(zhì)，在2×3棒束通道內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并繪制了整個(gè)通道內(nèi)的流型圖。

資料表明，目前對(duì)管束間通道內(nèi)汽液兩相流型及其轉(zhuǎn)變特性的研究還具有較大的局限性，研究主要集中在非加熱條件下流體沖刷管束時(shí)的情形，對(duì)流體縱掠管束流動(dòng)沸騰的實(shí)驗(yàn)研究較少，需要進(jìn)行更加深入的研究。本文通過(guò)對(duì)管束通道內(nèi)的沸騰兩相流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了該通道內(nèi)沸騰兩相流型及其轉(zhuǎn)變特性，并與普通圓管通道內(nèi)的汽液兩相流型進(jìn)行比較，為工程設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)選定R113為工質(zhì)，R113汽化潛熱小，沸點(diǎn)低，可用于模擬高溫高壓下水的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)。管束外復(fù)雜通道流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1所示。工質(zhì)經(jīng)預(yù)熱器1加熱至預(yù)定溫度后，流經(jīng)流量計(jì)2和流量調(diào)節(jié)閥3，隨后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段通道6；沸騰后的汽液兩相流體進(jìn)入汽液分離器8分離，蒸汽經(jīng)冷凝器11兩次冷凝后，與分離出的液態(tài)工質(zhì)匯合，流回到儲(chǔ)液罐，然后進(jìn)入冷卻器13冷卻后再由磁力泵14送入預(yù)熱器，形成一個(gè)循環(huán)。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig．1 Schematic diagram of experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)中選用的磁力泵可以保證很好的密封，防止制冷劑的泄漏；蒸汽冷凝系統(tǒng)采用水冷式板式換熱器，用于冷凝從分離器分離出的制冷劑蒸汽，調(diào)節(jié)板式換熱器的冷卻水量可以很好的控制蒸汽冷凝量，另外，采用二次冷凝可以保證汽態(tài)工質(zhì)完全冷凝。

實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)段由管束加熱器和有機(jī)玻璃套管組成，管束加熱器由四根功率相同的不銹鋼加熱管構(gòu)成，加熱器管長(zhǎng)800mm，可通過(guò)調(diào)節(jié)電壓改變其加熱功率；加熱管的單管外徑為8mm，相鄰管中心距為13mm。有機(jī)玻璃套管長(zhǎng)1 500mm，內(nèi)徑30mm，外徑40mm。實(shí)驗(yàn)中，流量范圍為50～500kg／h，熱流密度為0～60kW／m2。

圖2 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure of test section

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)中利用高速攝像裝置對(duì)管束通道距底部500mm處的沸騰兩相流流型進(jìn)行了觀測(cè)和記錄，在不同加熱熱流密度和液體流量條件下，獲得如圖3所示的典型流型照片。通過(guò)對(duì)大量流型的分析，本文實(shí)驗(yàn)確定在管束通道內(nèi)流動(dòng)沸騰的汽液兩相流的主要流型為：泡狀流、泡狀－攪混流、攪混流（或乳沫狀流）和環(huán)狀流，與管內(nèi)兩相流流型有較明顯的差別。

圖3 垂直管束通道內(nèi)流型轉(zhuǎn)變Fig．3 Flow patterns in a vertical tube－bundle channel

分析表明，管束通道中的沸騰兩相流流型變化與圓管內(nèi)流型變化存在較大差別的原因在于：首先，幾何因素的影響。管束流道截面被管束切割成為若干子通道，管束對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生較大干擾，不僅增強(qiáng)了兩相流動(dòng)的擾動(dòng)，分割大汽泡，而且各子通道間流動(dòng)相互干擾，增加了流動(dòng)的復(fù)雜性；其次，二者的加熱條件不同。圓管通道兩相流體的沸騰屬于管內(nèi)流動(dòng)，熱量通過(guò)圓管管壁對(duì)管內(nèi)流體進(jìn)行加熱。而對(duì)于管束通道兩相流體的沸騰，兩相流體在加熱的管束外流動(dòng)，熱量通過(guò)管束壁面對(duì)管外流體加熱。從而，管束通道中的兩相流流型呈現(xiàn)出不同特性。

圖4是在本實(shí)驗(yàn)條件下，管束通道內(nèi)汽液兩相流動(dòng)沸騰出現(xiàn)的主要流型：即泡狀流、泡狀－攪混流、攪混流（乳沫狀流）和環(huán)狀流，與Hewitt ＆Roberts［7］所得垂直圓管內(nèi)流型有較大差別，這幾種流型的特性描述如下：

圖4 垂直管束通道內(nèi)流型示意圖Fig．4 Schematic diagram of flow pattern

（1）泡狀流：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，開(kāi)始加熱時(shí)，熱流密度較小，流體開(kāi)始產(chǎn)生沸騰，加熱段出現(xiàn)球形小汽泡。與管內(nèi)流動(dòng)泡狀流相似，其液相流體是的主流，離散的汽泡彌散分布在連續(xù)液相的主流中，并隨主流沿流動(dòng)方向向上運(yùn)動(dòng)。汽泡在上升過(guò)程中持續(xù)受熱，汽泡的數(shù)量和大小沿流道逐漸增加。隨著汽泡的尺寸長(zhǎng)大和數(shù)量的增多，孤立汽泡開(kāi)始聚合和變形，受到管束通道狹窄空間的限制，汽泡變形為橢圓形或月牙形；隨著熱流密度的進(jìn)一步增加，汽泡幾乎占據(jù)了管束通道的整個(gè)空間。

（2）泡狀－攪混流：隨著小汽泡不斷聚集，管束通道內(nèi)的聚合汽泡不斷增大，當(dāng)長(zhǎng)大到一定尺寸時(shí)，由于管束對(duì)大汽泡的擾動(dòng)及分割，使得管束通道內(nèi)沒(méi)有發(fā)生與圓管通道中相同的彈狀流，而由泡狀流向攪混流過(guò)渡。

（3）攪混流（乳沫狀流）：隨著熱流密度的繼續(xù)增加，管束通道內(nèi)的聚合汽泡增大，由于管束對(duì)聚合汽泡的擾動(dòng)及分割，聚合汽泡表現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，很快發(fā)生破裂，流型轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚮炝鳌４藭r(shí)，破裂后的聚合汽泡產(chǎn)生很多不規(guī)則汽泡，摻雜分布在液流中。這種流型的特征是振蕩型的，液相在通道中交替地上下運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入攪混流型時(shí)，管束通道內(nèi)的汽相和液相受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)，加熱管束壁面和套筒內(nèi)壁受到強(qiáng)烈的沖刷。

（4）環(huán)狀流：由于壁面的持續(xù)加熱，通道內(nèi)的干度增大，當(dāng)汽相含量比液相乳沫狀流還高時(shí)，攪混現(xiàn)象逐漸消失，塊狀液流被擊碎，汽泡團(tuán)聚并形成連續(xù)的汽相，形成汽相軸心，從而產(chǎn)生了環(huán)狀流。此時(shí)，液相主要以液膜的形式沿管壁連續(xù)穩(wěn)定的向上流動(dòng)。液膜內(nèi)仍有大量汽泡，汽流的沖刷使得液膜出現(xiàn)波紋，形成一個(gè)波動(dòng)的交界面，由于波的作用可能造成液膜的破裂。隨著熱流密度的增加，環(huán)狀流向下延伸。由于條件限制，實(shí)驗(yàn)中管束通道沒(méi)有蒸干而產(chǎn)生霧狀流。

在常規(guī)尺寸的圓管通道內(nèi)，彈狀流為垂直向上沸騰兩相流的主要流型之一。而在管束通道內(nèi)，由于管束對(duì)液相和汽相的分割以及各子通道間流動(dòng)的互相干擾，使沸騰產(chǎn)生的汽泡無(wú)法聚合成為與管束通道尺寸相當(dāng)?shù)钠麖?，因此，管束通道?nèi)沒(méi)有發(fā)生與常規(guī)圓管通道內(nèi)相同的彈狀流，而由泡狀流發(fā)展轉(zhuǎn)變成為攪混流。另一方面，在常規(guī)尺寸的圓管通道內(nèi)，攪混流為彈狀流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的過(guò)渡流型，存在時(shí)間很短，在一些情況下圓管內(nèi)并不發(fā)生攪混流；而在管束通道中，攪混流為主要流型之一，產(chǎn)生攪混流的工況范圍較廣，存在時(shí)間較長(zhǎng)，這也是管束通道與圓管通道沸騰兩相流型的差別之一。

另外，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在管束通道的同一截面，會(huì)出現(xiàn)兩種流型共存的情況，不同子通道內(nèi)流型的轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出不同步性。這是由于加熱管道的特殊幾何形狀導(dǎo)致不同子通道內(nèi)的加熱強(qiáng)度不同，各子通道內(nèi)汽泡的生成數(shù)量和聚合程度也有所不同，因此導(dǎo)致各子通道內(nèi)流型轉(zhuǎn)變的不同步性。這與Bergles［2］采用探針?biāo)鶞y(cè)得的管束通道內(nèi)流型轉(zhuǎn)變結(jié)果相似。

將實(shí)驗(yàn)所得流型圖繪于圖5，并與Hewitt＆Roberts流型判別［7］進(jìn)行比較，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，質(zhì)量流速?zèng)]有達(dá)到Hewitt ＆Roberts所研究范圍的最大值。

圖5 垂直管束通道內(nèi)沸騰汽液兩相流型圖Fig．5 Flow pattern map of two－phase boiling flow in a tube－bundle channel

式中：ρ′——液相密度，kg／m3；

ρ″——?dú)庀嗝芏?，kg／m3；

jf——液相計(jì)算速度，m／s；

jg——?dú)庀嘤?jì)算速度，m／s；

G——質(zhì)量流速，kg／（m2·s）；

x——質(zhì)量含氣率。

由圖5可以看出，管束通道內(nèi)流型轉(zhuǎn)變與垂直圓管內(nèi)流型轉(zhuǎn)變有很大差別，泡狀流發(fā)生區(qū)間明顯向左移動(dòng)，泡狀流和攪混流產(chǎn)生區(qū)間都有所擴(kuò)大。這是由于垂直圓管產(chǎn)生彈狀流時(shí)，在同樣條件下，在管束通道中由于管束對(duì)大汽泡的擾動(dòng)和分割，使汽泡不能聚合成為與通道直徑相當(dāng)?shù)钠古轄盍骱蛿嚮炝鞯牧餍蛥^(qū)域擴(kuò)大。另外，由于管束通道為中心加熱，汽泡在管束通道中心產(chǎn)生，使得中心處汽泡數(shù)量增多，聚合幾率增加，因此管束通道中兩相流型會(huì)提前向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論

1）利用高速攝像裝置對(duì)管束通道內(nèi)沸騰兩相流進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)，對(duì)管束通道內(nèi)沸騰兩相流型及其轉(zhuǎn)變特性進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)本文實(shí)驗(yàn)中的管束通道內(nèi)的兩相流型主要為：泡狀流、泡狀－攪混流、攪混流（乳沫狀流）和環(huán)狀流，與圓管內(nèi)沸騰兩相流流型具有較大差別。

2）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在管束通道的同一截面，會(huì)出現(xiàn)兩種流型共存的情況，不同子通道內(nèi)流型的轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出不同步性。

3）繪制了管束通道內(nèi)沸騰汽液兩相流的流型圖，并與Hewitt ＆Roberts流型判別進(jìn)行比較，為管束通道內(nèi)兩相流型轉(zhuǎn)變的判定奠定基礎(chǔ)。

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