過冷度對蒸汽氣泡破碎及微氣泡噴射過程的影響

唐繼國1，閻明2，肖友軍3，閻昌琪1,*，孫立成4

(1.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱150001；

2.中國核電工程有限公司，北京100840；3.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082；

4.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都610207)

摘要：為研究過冷度對蒸汽氣泡破碎及微氣泡噴射過程的影響，利用高速攝像機記錄不同過冷度下過冷池中蒸汽氣泡凝結過程。實驗結果表明：在低過冷度(ΔTsub=17 K)下，蒸汽氣泡界面波動發(fā)展緩慢，氣泡不會破碎，而是逐漸分裂凝結；在高過冷度(40 K<ΔTsub<75 K)下，蒸汽氣泡表面上的波動劇烈發(fā)展，隨后氣泡會突然破碎，并形成大量微氣泡；在ΔTsub=30 K時，氣泡突然破碎前會有小氣泡分裂現象發(fā)生。40 K<ΔTsub<75 K時氣泡破碎形成的微氣泡的直徑和速度在量級上與氣泡微細化沸騰區(qū)域的微氣泡接近。隨過冷度的升高，微氣泡的直徑減小，速度增加，且蒸汽氣泡破碎前其表面上波動的波數迅速增加，波動的最大幅值先增加后減少。

關鍵詞：氣泡微細化沸騰；氣泡破裂；過冷度；界面波動

中圖分類號：TK124 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-08-13;修回日期：2014-10-08

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51376052,11475048,51106101)；四川大學科研基金資助項目(YJ201432)

作者簡介：唐繼國(1988—)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，核科學與技術專業(yè)

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2030

*通信作者：閻昌琪，E-mail: chanqi_yan@163.com

Effect of Subcooling on Vapor Bubble Collapse and Microbubble Emission

TANG Ji-guo1, YAN Ming2, XIAO You-jun3, YAN Chang-qi1,*, SUN Li-cheng4

(1.FundamentalScienceonNuclearSafetyandSimulationTechnologyLaboratory,

HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China;

2.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China;

3.ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi214082,China; 4.StateKeyLaboratoryofHydraulicsand

MountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610207,China)

Abstract:In order to investigate the effect of subcooling on vapor bubble collapse and microbubble emission, the condensation process of vapor bubbles in a subcooled pool at different subcoolings was recorded with a high-speed video camera. The results show that the development of surface wave emerged on the bubble surface is slow and the vapor bubbles are condensed and split up gradually without sudden collapse at low subcooling (ΔTsub=17 K). At high subcooling (40 K<ΔTsub<75 K), the surface wave on the surface is violent and the vapor bubbles will collapse suddenly with the emission of a large number of microbubbles. Nevertheless, the process of tiny bubbles splitting off from large bubble is observed before sudden collapse of bubble at liquid subcooling of 30 K. The diameter and velocity of microbubbles after collapse of vapor bubble are within the same order of magnitude of those in microbubble emission boiling at 40 K<ΔTsub<75 K. Furthermore, the diameter of microbubble decreases, while the velocity increases with the increase of subcooling. In addition, the wave number of the surface wave on bubble surfaces increases and the maximum amplitude of the surface wave increases firstly and then decreases with the increase of subcooling.

Key words：microbubble emission boiling; bubble collapse; subcooling; surface wave

氣泡微細化沸騰(MEB)是一種發(fā)生在一定過冷度下，且伴有氣泡破碎及微氣泡噴射過程的特殊沸騰現象。由于發(fā)生時其熱流密度遠高于常規(guī)臨界熱流密度(CHF)，因此，MEB現象在核能、微電子、制冷和化工等領域中都具有極好的應用前景。20世紀80年代，Inada等[1]首先注意到MEB現象并進行了相關的實驗研究。隨后，Shoji等[2]和Tange等[3]對鉑絲上的MEB現象進行了觀察。Suzuki等[4-9]研究了池式和流動條件下壓力、重力、工質、管道尺寸和超聲波等對MEB的影響。Wang和Cheng[10]首先發(fā)現了微通道內的MEB現象，并獲得了高達14.41 MW/m的熱流密度。Wang和Peng等[11]在研究鉑絲上的過冷沸騰時發(fā)現在加熱絲上存在微小氣泡噴射現象，氣泡直徑為10 μm左右，速度高達600 mm/s，與MEB現象類似。盡管有許多與MEB現象相關的實驗研究，但由于氣相、液相和固相間極其復雜的相互作用，目前對MEB的認識依然不夠深刻。MEB現象的發(fā)生條件、MEB發(fā)生時蒸汽氣泡破碎過程和微氣泡產生的原因等方面都有待進一步研究。Ueno等[12-13]認為，可通過向過冷水中注入蒸汽氣泡來模擬沸騰時過冷液體與氣泡間的相互作用，以此來簡化MEB形成機理的分析過程。因此，本文通過向不同過冷度下的過冷池中注入蒸汽來觀測蒸汽氣泡與過冷水間的相互作用，以模擬和研究MEB過程中氣泡的破碎和微氣泡噴射過程。

1實驗裝置

圖1為實驗裝置示意圖。不銹鋼水箱(300 mm×240 mm×120 mm)開有觀察窗口，用于觀察和拍攝氣泡行為。實驗過程中，蒸汽由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產生，通過內徑為4 mm、外徑為6.3 mm的不銹鋼圓管注入水箱。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要包括電加熱鍋爐、擋板式汽水分離器、疏水池、管道以及閥門等。蒸汽流量通過蒸汽閥與旁通閥調節(jié)。蒸汽發(fā)生裝置及蒸汽管道外壁均包有隔熱材料，以減少熱量損失。1根距蒸汽管道約45 mm、直徑0.5 mm的K型鎧裝熱電偶用于測量水箱中的水溫。溫度信號由NI數據采集系統(tǒng)采集。直徑為15 mm的電加熱棒用于實驗前加熱水箱中的實驗工質。銅制冷卻盤管用于調節(jié)和維持實驗工質的過冷度。水箱中的工質為蒸餾水，實驗在常壓下進行。過冷度范圍為0～85 K，過冷度波動維持在±1 K內。蒸汽氣泡凝結過程由PHOTRON公司生產的Fastcam SA5高速攝影儀觀測與采集。每組實驗的采樣頻率設定為10 000幀/s，采樣時間設定為0.3 s。實驗中采用背光系統(tǒng)以增強拍攝的清晰度。

圖1　實驗裝置示意圖 Fig.1　Schematic diagram of experiment apparatus

2實驗結果及分析

2.1蒸汽凝結過程可視化研究

圖2示出不同過冷度下的蒸汽氣泡凝結過程。在不同過冷度下，蒸汽氣泡生長初期的氣液界面均非常光滑。隨著氣泡的生長，氣泡表面局部開始出現微小的界面波動(t=1.8 ms)。從圖2a可看出，在低過冷度(ΔTsub=17 K)下，界面波動發(fā)展非常緩慢。當t=10 ms時，氣泡已經脫離蒸汽注射管道，由于無新蒸汽補充，此時界面波動略強于氣泡脫離前。t=16 ms時波動已遍布整個氣泡表面。隨后氣泡開始逐漸分裂，最后冷凝消失。從圖2b可看出，在30 K過冷度下，氣泡的凝結過程中不僅會發(fā)生破碎現象，還會發(fā)生氣泡分裂現象。蒸汽氣泡在t=5.7 ms時脫離，隨后氣泡迅速凝結。在t=8 ms時，會有一些小氣泡從大氣泡上分裂出來，這些小氣泡的尺寸大于高過冷度下氣泡破碎形成的微氣泡。隨后，在t=9.5 ms時氣泡破碎，許多小氣泡形成。這些小氣泡繼續(xù)凝結，最終消失在過冷水中。從圖2c～e可看出，在高過冷度(40 K<ΔTsub<75 K)下，蒸汽氣泡的凝結過程與低過冷度下存在顯著差異。此時，氣泡表面上的界面波動發(fā)展非常迅速，界面波動在氣泡脫離前就已遍及整個氣泡。過冷度越高，界面波動遍及氣泡所需的時間越短。當蒸汽氣泡脫離蒸汽注射管道后，界面波動發(fā)展更加劇烈。當波動到達一定程度時，氣泡突然破碎，大量微氣泡形成。這些微氣泡向各方向噴射而出，最終在過冷水中凝結。根據不同過冷度下蒸汽氣泡凝結過程可發(fā)現，發(fā)生氣泡突然破碎現象的過冷度閾值在20～30 K附近，這與MEB現象發(fā)生的過冷度閾值(ΔTsub=20 K)接近。

過冷度，K：a——17；b——30；c——40；d——55；e——75 圖2　蒸汽氣泡凝結過程 Fig.2　Condensation process of vapor bubbles

2.2過冷度對微氣泡尺寸及速度的影響

圖3、4分別示出不同過冷度下，蒸汽氣泡破碎后1 ms內的微氣泡直徑和速度分布。從圖3可看出，微氣泡直徑在30 K過冷度下主要集中在0.05～0.2 mm，在40 K和55 K過冷度下主要集中在0.02～0.06 mm，在75 K過冷度下主要集中在0.01～0.03 mm。隨過冷度的降低，微氣泡直徑分布范圍擴寬。從圖4可看出，氣泡破碎后形成的微氣泡具有極高的速度。在75 K過冷度下所測的最快速度甚至可達4.66 m/s。實驗中微氣泡速度分布范圍隨過冷度的升高而擴寬。

圖3　不同過冷度下微氣泡直徑分布 Fig.3　Distribution of microbubble diameter at different subcoolings

圖4　不同過冷度下微氣泡速度分布 Fig.4　Distribution of microbubble velocity at different subcoolings

圖5a示出微氣泡平均直徑隨過冷度的變化以及Tange等[3]所測不同過冷度下直徑0.3 mm鉑絲上發(fā)生MEB時的微氣泡平均直徑。從圖5a可看出，實驗中微氣泡直徑平均值隨過冷度的增加而下降，其趨勢與Tange等的實驗結果一致。較高過冷度下的微氣泡直徑略大于Tange等的結果，而30 K過冷度下的微氣泡直徑卻較Tange等和其他過冷度下的實驗結果大很多。首先，30 K過冷度下的蒸汽氣泡破碎過程不劇烈，氣泡破碎后形成小氣泡偏大。此外，如圖2b所示，在t=8 ms時有一些小氣泡從大氣泡上分裂而出，這些小氣泡的尺寸較破碎形成的微氣泡大很多。因此，實驗中30 K過冷度下的微氣泡直徑平均值較Tange等的結果和其他過冷度下的微氣泡大很多。

圖5　過冷度對微氣泡平均直徑和平均速度的影響 Fig.5　Effect of subcooling on average diameter and average velocity of microbubbles

圖5b示出不同過冷度下微氣泡平均速度及其與直徑0.3 mm鉑絲上MEB區(qū)域、Ueno等[12]所得管道及孔板注射蒸汽氣泡實驗中微氣泡速度的比較。從圖5b可看出，實驗中微氣泡速度平均值隨過冷度升高而增加。這是由于隨過冷度的升高，蒸汽氣泡的破碎過程更加劇烈造成的。由于實驗中蒸汽是脫離后破碎，而MEB區(qū)域的氣泡是在加熱面上破碎，加熱部件會阻礙微氣泡的噴射過程。因此，實驗結果高于鉑絲上MEB區(qū)域微氣泡速度。由于實驗中微氣泡速度為氣泡破碎后1 ms內微氣泡速度的平均值，因此，其低于Ueno等[12]所得管道和孔板注射蒸汽氣泡實驗中微氣泡的速度。

2.3過冷度對氣泡界面波動的影響

較高過冷度下，由凝結引起的周圍液體對蒸汽氣泡的慣性沖擊較強，且氣泡周圍無法形成穩(wěn)定的熱邊界層，使氣泡表面出現劇烈的界面波動。劇烈的界面波動會極大地增加氣泡的有效凝結面積，加速氣泡凝結，氣泡不穩(wěn)定性增強，最終氣泡突然破碎[12-14]。此外，作者前期工作發(fā)現，MEB發(fā)生時氣泡表面上存在劇烈的波動，而膜態(tài)沸騰時氣膜表面上的波動卻不劇烈。為進一步研究過冷度對界面波動的影響，引入界面波動的波數和幅值。如圖6所示，界面波動的波長為相鄰兩個波峰間的距離，波數為波長的倒數，波動幅值為波動凸出氣泡表面部分的高度。

圖7示出過冷度對破碎前蒸汽氣泡波動波數與幅值的影響。在低過冷度下，界面波動的最大幅值和波數均較小，氣液界面相對光滑，氣泡未發(fā)生破碎而是逐漸分裂。在30 K<ΔTsub<40 K時，界面波動劇烈發(fā)展，在氣泡破碎前其最大幅值和波數均較高，且兩者隨過冷度的升高而增加。在55 K<ΔTsub<75 K時，凝結作用異常強烈，氣泡表面上高幅值波動由于凸出氣泡表面較多，被迅速凝結。因此，氣泡破碎前波動的最大幅值較小，且隨過冷度的升高而下降。然而，高過冷度下界面波動的波數非常高，這同樣極大地增加氣泡的有效表面積，增強氣泡的不穩(wěn)定性，導致氣泡破碎。

圖6　蒸汽氣泡上界面波動波長 和幅值定義(ΔT sub=40 K) Fig.6　Definitions of wave length and amplitude of surface wave on vapor bubble (ΔT sub=40 K)

綜上所述，當過冷度超過30 K時，氣泡表面會出現劇烈的界面擾動，氣泡的有效換熱面積大量增加。這對蒸汽和過冷水之間的傳熱和傳質過程有極強的強化作用。因此，目前的研究工作除可為基于MEB現象設計的高效換熱器提供理論基礎外，在工程上還可為應用直接接觸凝結現象的汽水混合加熱器、蒸汽-水噴射器和抑壓水池等的設計和運行提供技術支持。

圖7　過冷度對破碎前蒸汽氣泡波動波數與幅值的影響 Fig.7　Effect of subcooling on wave number and amplitude of wave on vapor bubble before collapse

3結論

本文通過向不同過冷度的過冷水中注入蒸汽來研究過冷度對蒸汽氣泡破碎和微氣泡噴射過程的影響，得到以下結論。

1) 在低過冷度(ΔTsub=17 K)下，蒸汽氣泡逐漸分裂凝結；在ΔTsub=30 K時，蒸汽氣泡不僅會突然破碎，在凝結過程中還有尺寸較大的小氣泡分裂而出；在高過冷度(40 K<ΔTsub<75 K)下，蒸汽氣泡會突然破碎，并形成大量微氣泡。

2) 過冷池中蒸汽氣泡破碎后形成的微氣泡的尺寸和速度在量級上與MEB區(qū)域的微氣泡的尺寸和速度較接近。隨過冷度的升高，這些微氣泡直徑平均值下降而速度平均值上升。

3) 蒸汽氣泡破碎前，其表面上的界面波動的波數平均值隨過冷度的升高而迅速增加，最大幅值隨過冷度的升高先增加后減少。

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