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        豎直矩形通道內(nèi)空氣—水兩相流動中氣泡聚合研究

        2017-11-11 09:38:23王璐孫中寧張林李偉唐昌兵劉洋華武小莉
        科技視界 2017年16期

        王璐 孫中寧 張林 李偉 唐昌兵 劉洋華 武小莉

        【摘 要】本文在自然循環(huán)條件下,研究豎直上升矩形通道(50×50mm2)內(nèi)氣泡聚合行為特性,在此基礎(chǔ)上進一步分析氣泡聚合對自然循環(huán)能力的影響。結(jié)果表明:本實驗條件下氣泡初始平均直徑大于4.5mm時升力系數(shù)大于零,直徑小于4.5mm時升力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值;兩氣泡平均間距大于8.3mm時,幾乎不能看到聚合過程;實驗范圍內(nèi),自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增加而增大,在氣體流量小于1.30kg/h,增大氣流量對提升自然循環(huán)能力的效果較氣流量大于1.30kg/h更好。

        【關(guān)鍵詞】自然循環(huán);矩形通道;空氣-水;氣泡聚合

        0 引言

        針對事故工況下安全殼的降溫降壓,新一代反應(yīng)堆中多引入了非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(PCCS),該系統(tǒng)可以不借助外部動力裝置,僅依靠自然循環(huán)等物理規(guī)律實現(xiàn)對安全殼的保護功能[1-5]。鑒于氣泡泵的引入能大幅降低自然循環(huán)系統(tǒng)上升段的密度,提高驅(qū)動力及自然循環(huán)能力,而氣泡間的典型行為(如聚合等)對上升段的空泡份額有顯著影響,空泡份額又密切關(guān)系著兩相密度及自然循環(huán)能力。因此,有必要對自然循環(huán)條件下氣泡聚合行為特性及其對自然循環(huán)能力的影響進行研究。

        Allan[6]通過實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)液膜厚度減薄到100nm時, 除了毛細(xì)壓力的作用外, 還開始受到一種叫做“附加壓”的作用。當(dāng)附加壓大于零時,它對液膜的減薄過程是不利的; 而當(dāng)它小于零時,它又會起到促進的作用, 這個附加壓是由雙電層作用力、范德華分子力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用力組成的,前兩者是構(gòu)成有名的DLVO理論的基礎(chǔ)。文獻回顧表明,目前關(guān)于氣泡聚合的研究主要集中在兩個或三個氣泡,借助可視化實驗研究和數(shù)值模擬方法對氣泡的聚合行為進行分析和討論。然而實際工程應(yīng)用中多數(shù)情況下存在大量氣泡,針對自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的兩相流動工況,大量氣泡聚合問題研究及其對自然循環(huán)能力的影響還十分有限?;诖?,本文在自然循環(huán)條件下,開展矩形通道內(nèi)大量氣泡間聚合行為研究,為提高自然循環(huán)能力提供理論依據(jù)與工程指導(dǎo)。

        1 實驗系統(tǒng)

        豎直通道內(nèi)氣液兩相上升流動實驗裝置如圖1所示。該實驗裝置由氣泡生成系統(tǒng)、自然循環(huán)回路系統(tǒng)、參數(shù)測量裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

        氣泡生成系統(tǒng)由空氣壓縮機、儲氣罐、氣體流量控制閥、質(zhì)量流量計和環(huán)形陶瓷套筒及相關(guān)管道閥門組成。

        2 圖像處理方法

        由于實驗過程中高速攝像儀垂直于實驗段進行拍攝,因此同一水平面上存在著氣泡的疊加現(xiàn)象,由于汽泡與高速攝像儀的距離不同,造成同一視圖內(nèi)部的汽泡邊界具有明暗差異,因此,需要根據(jù)氣泡灰度的不同進行篩選。使用Image-Pro Plus軟件處理后的氣泡篩選及后處理。

        3 實驗結(jié)果分析

        3.1 兩相同高度處氣泡的聚合行為

        圖2表示兩平行氣泡的聚合過程,兩個氣泡聚合前的平均直徑為1.295mm,聚合后氣泡直徑為1.630mm。在氣泡聚合前,它們都是以螺旋式的運動方式不斷上升。在圖(d)和圖(e)中,雖然兩氣泡看似重合在一塊,在圖(f)中卻又再次分開,說明他們并沒有發(fā)生聚合,而是在同一水平面上無接觸地各自進行著螺旋式上升運動,兩氣泡的間距在不斷縮短,直至發(fā)生碰撞,并最終聚合為一個氣泡。

        3.2 同一軸向上的兩個氣泡的聚合行為

        豎直兩氣泡的聚合過程如圖3所示。兩氣泡聚合前的平均直徑為1.020mm,聚合后的大氣泡直徑為1.576mm。氣泡的聚合行為可由氣泡尾流效應(yīng)解釋。開始的時候,下方氣泡在上方氣泡的尾流中,由于尾流效應(yīng)的影響,下方氣泡受到的阻力很大一部分被上方氣泡抵擋,因此,下方氣泡可以獲得一個很大的加速度,且越是靠近上方氣泡,這個加速度越大。隨后,由于慣性的作用,下方氣泡瞬時超過了上方氣泡,但它受到的阻力也瞬間變大,氣泡速度馬上降低。而被超越的原上方氣泡也因為尾流效應(yīng)速度突然增大,于是兩個氣泡發(fā)生了碰撞,并最終完成了聚合。

        3.3 氣泡聚合對自然循環(huán)能力的影響

        實驗系統(tǒng)中自然循環(huán)水流量與注氣量的關(guān)系如圖4所示。氣體流量較小時,水流量的增長速率非常快,兩者存在著良好的線性關(guān)系;而當(dāng)注氣量大于1.30kg/h時,自然循環(huán)水流量的增長速率下降明顯,但仍能保持線性增加的趨勢。

        氣體流量小于1.30kg/h時,隨著氣體流量的增大,氣泡直徑不斷增大,氣泡數(shù)密度也增多不少。因此,氣泡與水體的接觸面積迅速擴大,氣泡對水的抬升作用明顯加強,即相同長度區(qū)段內(nèi)的氣泡群,對自然循環(huán)能力的提升作用更顯著。這時的氣泡聚合并沒有對自然循環(huán)水流量的增加產(chǎn)生什么阻礙作用。當(dāng)氣體質(zhì)量流量大于1.3kg/h時,有機玻璃實驗段的豎直壁面上開始聚集一層氣泡群,它們的運動速度很慢,對液相水的抬升作用非常小,相反還堵住了流道的一部分流通面積。這嚴(yán)重阻礙了氣液兩相的流動,所以就出現(xiàn)了圖中4所示的后半段水流量增長速率的明顯降低。盡管如此,不斷增加的氣體流量還是對自然循環(huán)能力的增強起到了一定的作用,這是由于增加的氣相流量導(dǎo)致上升段兩相密度的降低,驅(qū)動力增大導(dǎo)致自然循環(huán)能力的提升。此外,實驗范圍內(nèi)最大氣流量工況也觀察到氣泡聚合為大氣彈,氣體仍然以分散氣泡的形式存在于連續(xù)向上流動的液相水中,因而氣流量的增大也就必然會增加水的流速。

        Thomas[7]對強湍流狀態(tài)下兩氣泡的聚合機理進行了研究。氣液兩相界面之間的液體,在接觸碰撞的過程中,由于相互作用力的影響被不斷擠出,這層液膜脫落到臨界聚合間距的時間為:

        實際上,湍流強度與ε1成正比。也就是說湍流強度的上升使T減小。τ也隨湍流強度的增大而增長,即湍流強度的增強對氣泡的聚合不利。所以當(dāng)氣體流量很大時,強湍流作用反而使氣泡難以聚合。觀看高氣體流量時拍攝的錄像,確實很少看到聚合現(xiàn)象的發(fā)生。

        綜上所述,自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增大而增大的。在氣體流量小于1.30kg/h時,增大氣流量對自然循環(huán)能力的提升效果較好;大于1.30kg/h之后,效果有下降的趨勢,但也不用擔(dān)心流量過大會導(dǎo)致氣泡聚合為氣彈而使水流量大大降低。

        4 結(jié)論

        本文借助高速攝像儀,自然循環(huán)條件下研究了豎直上升矩形通道(50×50mm2)內(nèi)氣泡聚合行為特性,在此基礎(chǔ)上進一步分析氣泡聚合對自然循環(huán)能力的影響,所得主要結(jié)論如下:

        (1)氣泡初始直徑及初始間距是影響兩水平氣泡聚合過程的重要因素,本實驗條件下氣泡初始平均直徑大于4.5mm時升力系數(shù)大于零,直徑小于4.5mm時升力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值;兩氣泡平均間距大于8.3mm時,幾乎不能看到聚合過程。

        (2)對于兩豎直氣泡的聚合過程,下方氣泡受到的阻力很大一部分被上方氣泡抵擋,下方氣泡可以獲得一個很大的加速度,下方氣泡瞬時超過了上方氣泡,但它受到的阻力也瞬間變大,氣泡速度馬上降低,發(fā)生碰撞的瞬間發(fā)生聚合,即尾流效應(yīng)是影響這類氣泡聚合的主要因素。

        (3)自然循環(huán)水流量是隨著氣體流量的增加而增大,在氣體流量小于1.30kg/h時,增大氣流量對自然循環(huán)能力的提升效果較好;大于1.30kg/h之后,效果有下降的趨勢,但也不用擔(dān)心流量過大會導(dǎo)致氣泡聚合為氣彈而使水流量大大降低。

        【參考文獻】

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