陳沖，高璞珍，余志庭，陳先兵

（哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

搖擺工況下窄矩形通道內(nèi)兩相沸騰摩擦壓降特性

陳沖，高璞珍，余志庭，陳先兵

（哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

為了研究搖擺工況下窄矩形通道內(nèi)的兩相摩擦壓降特性，進(jìn)行了一系列的熱工水力實(shí)驗(yàn)和理論分析。結(jié)果表明，搖擺工況下流體會(huì)受到附加慣性力的作用且實(shí)驗(yàn)回路的空間位置也會(huì)出現(xiàn)周期性的變化，兩相摩擦壓降梯度的波動(dòng)振幅隨著搖擺角度和搖擺周期的增加而增加；隨著通道熱通量的增加或者系統(tǒng)壓強(qiáng)的減小，兩相摩擦壓降梯度的波動(dòng)振幅和時(shí)均值逐漸增加。窄矩形通道內(nèi)的質(zhì)量流速隨著兩相摩擦壓降梯度的波動(dòng)而波動(dòng)，且具有相同的波動(dòng)周期，由于流體加速和壓力傳播的速度不同，流量波動(dòng)和摩擦壓降波動(dòng)存在約1/4周期的相位差。

搖擺運(yùn)動(dòng)；窄矩形通道；相變；兩相流；傳熱

引 言

最近幾年，隨著船舶領(lǐng)域的快速發(fā)展，海洋條件對(duì)船舶動(dòng)力裝置的影響越來越受到重視。船舶在海洋上航行時(shí)，海浪的作用將會(huì)使船舶發(fā)生搖擺、傾斜、俯仰和起伏運(yùn)動(dòng)，這些附加運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)船舶動(dòng)力裝置中的流動(dòng)傳熱特性產(chǎn)生明顯的影響。

過去幾年，很多學(xué)者從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和理論分析方面研究了海洋工況對(duì)單相流體的影響特性。Murata等[1]、Ishida等[2]、Tan等[3-4]在搖擺條件下對(duì)單相自然循環(huán)的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，由搖擺運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的附加壓降將會(huì)導(dǎo)致自然循環(huán)回路的流量波動(dòng)，并且流量波動(dòng)的幅度隨著搖擺振幅和搖擺頻率的增加而增加，但是自然循環(huán)回路的平均流量隨著搖擺振幅和搖擺頻率的增加而減小。他們的結(jié)果還表明在搖擺工況下自然循環(huán)流量下降的主要原因是因?yàn)閾u擺導(dǎo)致循環(huán)回路的阻力增加。Xing等[5-6]和Wang等[7-8]在強(qiáng)迫循環(huán)工況下研究了搖擺振幅、搖擺周期以及泵的驅(qū)動(dòng)壓頭對(duì)流量波動(dòng)振幅的影響，結(jié)果表明，在泵的驅(qū)動(dòng)壓頭不變的工況下，流量的波動(dòng)振幅隨著搖擺振幅和搖擺頻率的增加而增加，同時(shí)泵的驅(qū)動(dòng)壓頭對(duì)流量以及摩擦阻力的波動(dòng)有很大的影響。隨著循環(huán)回路驅(qū)動(dòng)壓頭的增加，流量和摩擦壓降的波動(dòng)振幅迅速減小，當(dāng)回路驅(qū)動(dòng)壓頭大于10倍的附加壓降時(shí)，回路的流量將不會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。高高高等[9]提出并建立了核動(dòng)力裝置一回路冷卻劑受海洋條件影響的數(shù)學(xué)模型，此模型對(duì)流體在海洋條件下的受力進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出了附加壓降的積分關(guān)系式，為以后的海洋條件下理論模型的建立奠定了基礎(chǔ)。Yan等[10-13]數(shù)值模擬了搖擺工況下單相流體的流動(dòng)傳熱特性，模擬結(jié)果表明，搖擺工況下流量波動(dòng)主要受到附加慣性切向力的影響，而附加慣性向心力和科氏力的影響可以忽略不計(jì)；同時(shí)通道尺寸和Reynolds數(shù)對(duì)流體的流動(dòng)傳熱特性有很大的影響，隨著通道尺寸的減小和Reynolds數(shù)的增加，搖擺對(duì)流體流動(dòng)傳熱特性的影響效果逐漸減小。

Xing等[14]在搖擺工況下對(duì)空氣-水的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在層流和過渡區(qū)域瞬時(shí)摩擦壓降隨著搖擺運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生波動(dòng)，同時(shí)隨著液相和氣相流速的增加摩擦壓降波動(dòng)的振幅逐漸減小，在湍流區(qū)域瞬時(shí)摩擦壓降并沒有出現(xiàn)明顯的周期性波動(dòng)。Jin等[15-17]研究了搖擺工況下窄矩形通道內(nèi)空氣-水的流動(dòng)特性，結(jié)果表明隨著窄矩形通道窄縫高度的減小，附加壓降對(duì)兩相壓降的影響逐漸減小。通道的空泡份額隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加而增加，同時(shí)搖擺工況下的時(shí)均空泡份額小于穩(wěn)態(tài)工況下的空泡份額。

綜上所述，搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)單相流體的流動(dòng)特性、傳熱特性都有很大的影響，但是搖擺對(duì)兩相流體影響特性的相關(guān)研究比較少，大部分都集中在絕熱工況下空氣-水兩相混合物的實(shí)驗(yàn)研究，而加熱工況下?lián)u擺對(duì)兩相沸騰摩擦壓降的影響特性還不是很清楚。緊湊式換熱器在船舶動(dòng)力裝置中被廣泛使用，主要是因?yàn)榫o湊式換熱器在單位體積內(nèi)具有較大的換熱面積和換熱效率。一般來說，船用緊湊式換熱器都是由一系列窄矩形通道組成，窄縫的高度為0.5～2 mm[18]。很多專家學(xué)者針對(duì)窄矩形通道和微通道進(jìn)行了一系列的沸騰實(shí)驗(yàn)研究[19-25]，但是這些實(shí)驗(yàn)研究都是在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行的，而海洋條件下窄矩形通道和微通道的熱工水力特性還沒有得到詳細(xì)的研究。為了更好地了解海洋條件下窄矩形通道內(nèi)的熱工水力特性，本文針對(duì)2 mm×40 mm的窄矩形通道進(jìn)行了一系列的熱工水力實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

機(jī)械搖擺熱工水力實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由實(shí)驗(yàn)回路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和機(jī)械搖擺臺(tái)組成，實(shí)驗(yàn)回路的最大質(zhì)量流速為5000 kg·m?2·s?1，最大系統(tǒng)壓強(qiáng)為3 MPa，機(jī)械搖擺臺(tái)的最大載重為2 t。實(shí)驗(yàn)回路主要由實(shí)驗(yàn)主回路和冷卻回路組成，冷卻回路主要包括冷凝器、冷卻水泵、冷卻塔和水柜。實(shí)驗(yàn)主回路主要包括預(yù)熱器、過濾器、窄矩形實(shí)驗(yàn)段、冷凝器、主泵、穩(wěn)壓器、電磁流量計(jì)和高頻直流電源，高頻直流電源用來加熱窄矩形實(shí)驗(yàn)段，其最大的加熱功率為100 kW，窄矩形通道的內(nèi)尺寸為2 mm×40 mm，長(zhǎng)度為1100 mm。預(yù)熱器的主要作用是加熱冷卻水并維持實(shí)驗(yàn)段的入口水溫，其最大的加熱功率為45 kW。整個(gè)實(shí)驗(yàn)回路的系統(tǒng)壓強(qiáng)由穩(wěn)壓器通過調(diào)節(jié)氮?dú)獾倪M(jìn)氣量控制。實(shí)驗(yàn)回路的流量是由電磁流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量誤差在±0.3%以內(nèi)；實(shí)驗(yàn)段的出入口水溫由兩個(gè)N型熱電偶進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差在±0.2℃以內(nèi)；實(shí)驗(yàn)段的壓降用兩個(gè)不同的壓差傳感器進(jìn)行測(cè)量，量程分別為50 kPa和60 kPa，測(cè)量誤差在±0.2%以內(nèi)。

機(jī)械搖擺臺(tái)由三相異步電機(jī)和減速箱提供動(dòng)力并由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，搖擺角度隨時(shí)間的變化為

搖擺角速度和搖擺角加速度分別為

式中，θt、ωt、βt、θmax和T分別為瞬時(shí)搖擺角度、搖擺角速度、搖擺角加速度、最大搖擺角度和搖擺周期。

圖1 機(jī)械搖擺熱工水力實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Mechanical rolling thermal-hydraulic experimental facility

2 數(shù)據(jù)處理

在搖擺工況下實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)流體的受力分析如圖2所示，與穩(wěn)態(tài)工況相比搖擺工況下流體會(huì)額外受到附加慣性切向力、附加慣性法向力和科氏力的作用，這些附加慣性力會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生相應(yīng)的加速度和附加壓降。

式中，ace為附加慣性法向加速度，m·s?2；ata為附加慣性切向加速度，m·s?2；aco為科氏加速度，m·s?2；u為流體的速度，m·s?2；r為搖擺軸到流體質(zhì)點(diǎn)的距離。

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)通道的附加壓降為

將式(4)～式(6)代入式(7)中得

由于整個(gè)測(cè)壓裝置都安裝在搖擺實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，而且連接窄矩形實(shí)驗(yàn)段和壓差傳感器的引壓管中充滿了去離子水，所以在實(shí)驗(yàn)臺(tái)搖擺過程中，引壓管中去離子水也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的附加壓降，而且引壓管中的水溫和加熱實(shí)驗(yàn)通道中的水溫存在差異，這就導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的壓差和實(shí)驗(yàn)段中的實(shí)際壓差并不一致。在計(jì)算窄矩形通道的實(shí)際壓降時(shí)需要考慮附加壓降和密度差帶來的影響。

式中，Δpmea為壓差傳感器測(cè)量的壓差，Δptp,f為兩相摩擦壓降，Δptp,acc為兩相加速壓降，Δptp,g為兩相重位壓降，Δpadd,tot為整個(gè)測(cè)壓回路的附加壓降，ρc為引壓管中冷卻水的密度，Δpadd,21、Δpadd,42、Δpadd,34和Δpadd,13分別為實(shí)驗(yàn)段21、42、34和13的附加壓降，如圖2所示。

圖2 搖擺工況下流體的受力分析Fig.2 Force analysis of fluid element under rolling motion

實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)的重位壓降和加速壓降由均相流模型得

式中，g為重力加速度，xe為平衡態(tài)含氣率，G為質(zhì)量流速，ρg和ρf分別為飽和汽、飽和水的密度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 搖擺對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響

搖擺角度和周期對(duì)窄矩形實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)摩擦壓降梯度的影響如圖3和圖4所示，A15T10意味著搖擺角度為15°、搖擺周期為10 s。通道內(nèi)的摩擦壓降梯度隨著實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搖擺運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，摩擦壓降梯度的波動(dòng)周期與搖擺周期一致，同時(shí)摩擦壓降梯度的波動(dòng)振幅隨著搖擺角度的增加而逐漸增加。這主要是因?yàn)殡S著搖擺臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)主回路會(huì)出現(xiàn)明顯的空間變化，來自于加熱實(shí)驗(yàn)通道的汽水混合物會(huì)在冷凝入口區(qū)域出現(xiàn)周期性的擁堵和疏通，如圖5所示。當(dāng)搖擺臺(tái)向負(fù)最大角度（?θmax）運(yùn)動(dòng)過程中，由于浮力的作用氣泡會(huì)聚集在冷凝器入口腔室的最高處，同時(shí)氣泡會(huì)聚集形成汽團(tuán)，阻礙汽水混合物的流動(dòng)，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)段出口至冷凝器入口的空間靜壓迅速升高，從而引起實(shí)驗(yàn)段通道內(nèi)的飽和水溫升高，在相同的熱通量工況下，通道內(nèi)的沸騰程度會(huì)逐漸減小，質(zhì)量含氣率減小，從而導(dǎo)致摩擦壓降梯度減??；當(dāng)搖擺臺(tái)向正最大角度（+θmax）運(yùn)動(dòng)過程中，由于實(shí)驗(yàn)回路的空間位置有利于擁堵在冷凝器入口的汽團(tuán)迅速流入冷凝器冷卻，實(shí)驗(yàn)段出口至冷凝器入口的空間靜壓減小，實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)的飽和水溫降低，沸騰程度增加，質(zhì)量含氣率增加，從而導(dǎo)致摩擦壓降梯度增加。隨著搖擺角度的增加，實(shí)驗(yàn)回路空間位置的變化量增加，汽水混合物在冷凝器入口擁堵和疏通的程度增加，實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)質(zhì)量含氣率的波動(dòng)振幅增加，導(dǎo)致了摩擦壓降梯度的波動(dòng)振幅增加。

圖3 搖擺角度對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響Fig.3 Effect of rolling amplitude on two-phase frictional pressure gradient

圖4 搖擺周期對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響Fig.4 Effect of roll period on two-phase frictional pressure gradient

搖擺周期對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響如圖4所示，隨著搖擺周期的增加，兩相摩擦壓降梯度的波動(dòng)振幅略微增加，這主要是因?yàn)殡S著搖擺周期的增加，來自加熱通道的汽水混合物擁堵在冷凝器入口腔室的時(shí)間和程度都會(huì)增加，從而導(dǎo)致摩擦壓降梯度的波動(dòng)振幅增加。隨著搖擺周期的減小，兩相摩擦壓降梯度的波動(dòng)振幅不是很均勻，主要是因?yàn)殡S著搖擺周期的減小，汽水混合物在冷凝器入口腔室的聚合和破裂比較劇烈，壓強(qiáng)的波動(dòng)幅度會(huì)出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。

圖5 實(shí)驗(yàn)回路隨搖擺運(yùn)動(dòng)的軌跡Fig.5 Trajectory of experimental loop under rolling motion

3.2 熱通量對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響

搖擺工況下熱通量對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響如圖6所示，系統(tǒng)壓強(qiáng)為1.20 MPa，時(shí)均質(zhì)量流速為250 kg·m?2·s?1。兩相摩擦壓降梯度的時(shí)均值隨著熱通量的增加而增加，這主要是因?yàn)殡S著熱通量的增加，氣泡的產(chǎn)生和脫離頻率增加，流體的湍流程度增加，沸騰強(qiáng)度增加，通道的質(zhì)量含氣率增加，兩相摩擦壓降梯度的時(shí)均值增加。兩相摩擦壓降的波動(dòng)振幅隨著熱通量的增加而迅速增加，其主要原因是隨著熱通量的增加，窄矩形通道出口的質(zhì)量含氣率增加，汽水混合物擁堵在冷凝器入口腔室的程度增加，摩擦壓降梯度的波動(dòng)振幅增加。

圖6 熱通量對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響Fig.6 Effect of heat flux on two-phase frictional pressure gradient

3.3 系統(tǒng)壓強(qiáng)對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響

搖擺工況下系統(tǒng)壓強(qiáng)對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響如圖7所示，通道的熱通量為341 kW·m?2，時(shí)均質(zhì)量流速為527 kg·m?2·s?1。兩相摩擦壓降梯度的時(shí)均值隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加而逐漸減小，其主要原因分為兩個(gè)方面：第一是隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加，通道內(nèi)工質(zhì)的飽和溫度升高，在相同的熱通量工況下，氣泡數(shù)量以及脫離頻率減小；第二是隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加，氣泡的平均直徑迅速減小，也就是說隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加，氣泡的數(shù)量和直徑都減小，通道內(nèi)的沸騰程度減小，質(zhì)量含氣率減小，兩相摩擦壓降梯度減小。隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加兩相摩擦壓降梯度波動(dòng)的振幅減小，其主要原因是隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加，實(shí)驗(yàn)通道出口質(zhì)量含氣率減小，汽水混合物在冷凝器入口腔室的擁堵程度減小。

圖7 系統(tǒng)壓降對(duì)兩相摩擦壓降梯度的影響Fig.7 Effect of system pressure on two-phase frictional pressure gradient

3.4 摩擦壓降梯度對(duì)質(zhì)量流速的影響

兩相摩擦壓降梯度對(duì)質(zhì)量流速的影響如圖8所示，質(zhì)量流速隨著兩相摩擦壓降梯度的波動(dòng)而波動(dòng)，它們具有相同的波動(dòng)周期，而且其相位差約為1/4周期。主要是因?yàn)殡S著摩擦壓降梯度的周期性變化，通道內(nèi)流體的加速度將會(huì)出現(xiàn)周期性的變化，同時(shí)流體的速度為流體加速度的積分，從而導(dǎo)致兩相摩擦壓降梯度和質(zhì)量流速之間的相位差。隨著摩擦壓降梯度的增加，通道內(nèi)的阻力增加，質(zhì)量流速將會(huì)減小，反之隨著摩擦壓降梯度的減小，通道內(nèi)的阻力減小，在主泵驅(qū)動(dòng)壓頭的作用下，質(zhì)量流速將會(huì)增加。

圖8 質(zhì)量流速隨兩相摩擦壓降梯度的變化Fig.8 Mass flux changes with two-phase frictional pressure gradient

4 結(jié) 論

（1）窄矩形通道內(nèi)兩相摩擦壓降梯度的波動(dòng)周期與搖擺周期一致，且波動(dòng)振幅隨著搖擺角度和搖擺周期的增加而增加，影響兩相摩擦壓降梯度波動(dòng)的主要原因是搖擺工況周期性地收變了實(shí)驗(yàn)回路的空間位置，汽水混合物在冷凝器入口處出現(xiàn)周期性的擁堵和疏通，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)的靜壓出現(xiàn)周期性的增加和減小，通道內(nèi)的質(zhì)量含氣率出現(xiàn)周期性的變化。

（2）兩相摩擦壓降梯度的時(shí)均值和波動(dòng)振幅隨著熱通量的增加而增加，隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加而減小，其主要原因是窄矩形通道內(nèi)的沸騰程度和出口含氣率隨著熱通量的增加和系統(tǒng)壓強(qiáng)的減小而增加。

（3）窄矩形通道內(nèi)的質(zhì)量流速和兩相摩擦壓降具有相同的波動(dòng)周期，且存在大約為1/4周期的相位差。

符 號(hào) 說 明

A——搖擺角度，（°）

F——附加慣性力，N

G——質(zhì)量流速，kg·m2·s?1

g——重力加速度，m·s?2

l——通道長(zhǎng)度，m

p——系統(tǒng)壓強(qiáng)，MPa

Δptp——兩相壓降，kPa

q——熱通量，kW·m?2

T——搖擺周期，s

t——時(shí)間，s

xe——平衡態(tài)含氣率

β——角加速度，rad·s?2

θmax——最大搖擺角度，（°）

ρ——密度，kg·m?3

ω——角速度，rad·s?1

下角標(biāo)

acc——加速壓降

add——附加壓降

ave——時(shí)均值

c——冷卻水

f——摩擦壓降

g——重位壓降

max——最大值

mea——測(cè)量值

min——最小值

tp——兩相工況

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Two-phase frictional pressure drop characteristics of boiling flow in rectangular narrow channel under rolling motion

CHEN Chong, GAO Puzhen, YU Zhiting, CHEN Xianbing
(Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin150001,Heilongjiang,China)

In order to investigate the two-phase frictional pressure drop characteristics of boiling flows in a rectangular narrow channel under rolling motion, a series of thermal hydraulic experiments and theoretical analysis are performed. The results demonstrate that the additional inertial force is imposed on the fluid and the space of experimental loop will vary periodically under rolling motion. The fluctuation amplitude of the two-phase frictional gradient increases with increasing rolling angle and rolling period. The fluctuation amplitude and time average value of the two-phase frictional pressure gradient increase with increasing heat flux, while it decreases with the increase of system pressure. The mass flux varies with the fluctuation of frictional pressure gradient at the same period. The phase change between the fluctuation of mass flux and frictional pressure gradient is approximately equal to 1/4 rolling period due to the velocity difference of the pressure propagation and mass flux increases.

rolling motion; rectangular narrow channel; phase change; two-phase flow; heat transfer

GAO Puzhen, gaopuzhen@sina.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150126

TL 334

：A

：0438—1157（2015）10—3874—07

2015-01-26收到收收，2015-05-21收到收收收。

聯(lián)系人：高高高。

：陳陳(1989—)，男，博博研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50806014)。

Received date: 2015-01-26.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China(50806014).