從躍磊，種道彤，嚴俊杰

(1.華北電力科學研究院有限責任公司 西安分公司，陜西 西安 710065；2.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

蒸汽-水直接接觸凝結換熱具有高效的傳熱性能，廣泛應用于余熱回收利用蒸汽引射器、電廠直接接觸式換熱器如除氧器、核電非能動安全殼冷卻系統(tǒng)等眾多領域。核反應堆的卸壓系統(tǒng)內(nèi)，摻雜有少量不凝結氣體的蒸汽射流到壓水堆換料水箱或沸水堆抑壓池的過冷水中，不凝結氣體嚴重影響汽水直接接觸凝結換熱、汽水流動及其壓力振蕩特性。壓力振蕩產(chǎn)生的沖擊載荷對水箱壁面等相關設備有重要影響，嚴重威脅設備的安全運行和使用壽命。不凝結氣體對蒸汽浸沒射流壓力振蕩特性具有顯著影響，因此研究其射流的凝結形態(tài)及振蕩強度對相關工業(yè)設備的設計和運行具有重要意義。

目前，對含不凝結氣體蒸汽浸沒射流的研究仍很缺乏，僅有少數(shù)學者進行了相關研究。Chan等[1-8]對純蒸汽浸沒射流時的蒸汽凝結形態(tài)、壓力振蕩強度以及壓力振蕩頻率等內(nèi)容進行了相關研究。Song等[9]實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨空氣質量分數(shù)的增加，凝結振蕩區(qū)的壓力振蕩強度先增強后逐漸減弱，峰值對應的溫度緩慢降低。Kim等[10]發(fā)現(xiàn)在凝結振蕩區(qū)，壓力振蕩強度隨空氣質量分數(shù)的增大先增大后減小。屈曉航等[11-12]通過測量流場中溫度的分布確定了汽羽的穿透長度。實驗結果表明，含有少量的不凝結氣體，使得軸向和徑向的溫度下降速度減緩。Zhao等[13-15]研究發(fā)現(xiàn)，含有少量不凝結氣體時較純蒸汽浸沒射流振蕩強度明顯減弱，隨過冷水溫度的升高，兩強度的相差逐漸減弱。含不凝結氣體的蒸汽沿浸沒射流方向存在峰值，且隨空氣質量分數(shù)、蒸汽質量流率及過冷水溫度的增加而增大。

本文對含有不凝結氣體的蒸汽浸沒射流凝結形態(tài)和壓力振蕩強度進行實驗研究，為相關工業(yè)設備的設計和運行提供參考。

1 含不凝結氣體蒸汽浸沒射流實驗

1.1 實驗系統(tǒng)

含不凝結氣體蒸汽浸沒射流實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由蒸汽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)、水箱噴嘴以及閥門管道等組成。蒸汽系統(tǒng)采用電熱蒸汽鍋爐，通過渦街質量流量計測量蒸汽質量流量?？諝庀到y(tǒng)采用螺桿式空氣壓縮機供氣，采用熱式氣體質量流量計測量空氣質量流量。實驗設備可滿足各項參數(shù)工況要求。

圖1 含不凝結氣體蒸汽浸沒射流實驗系統(tǒng)Fig.1 Experiment system of submerged steam jet containing non-condensable gas

采用T型熱電偶測量過冷水溫度，采用高頻動態(tài)壓力傳感器測量流場壓力，壓力測點布置如圖2所示。采用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實驗數(shù)據(jù)的采集。為研究不凝結氣體對蒸汽浸沒射流壓力振蕩凝結形態(tài)的影響，通過可視化系統(tǒng)對實驗過程中凝結形態(tài)的變化進行觀察和記錄。

圖2 壓力測點布置Fig.2 Distribution of pressure measuring point

在實驗開始前，調(diào)整高速攝像機以備用，并保證其高度與射流方向垂直，調(diào)整焦距、光源強度以獲得最佳拍攝效果，在既定的工況參數(shù)下拍攝凝結形態(tài)。系統(tǒng)提供各參數(shù)的蒸汽和空氣，蒸汽-空氣按一定比例混合后，即含不凝結氣體的飽和蒸汽，經(jīng)噴嘴噴射進入過冷水中，利用調(diào)節(jié)閥調(diào)整蒸汽-空氣的質量流量，并用測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到各工況的壓力振蕩參數(shù)。通過數(shù)據(jù)處理來分析不凝結氣體對蒸汽浸沒射流凝結形態(tài)及壓力振蕩強度的影響。

1.2 實驗條件

為研究不同空氣含量對蒸汽浸沒射流凝結形態(tài)及壓力振蕩強度的影響，采用空氣與蒸汽質量流率的比值來表示空氣的含量?？諝赓|量分數(shù)A表達式如下：

A=Ga/Gs×100%

式中，Gs、Ga分別為蒸汽和空氣的質量流率，kg/(m2·s)。

為研究水箱中不同位置處壓力振蕩的強度，定義射流軸向和徑向距離與噴嘴出口直徑的比值為無量綱數(shù)。軸向、徑向無量綱距離表達式如下：

X=x/de，R=r/de

式中：x為軸向距離，mm；r為徑向距離，mm；de為噴嘴出口直徑，mm。

實驗條件列于表1。

表1 實驗條件Table 1 Experimental condition

圖3 壓力振蕩的原始信號Fig.3 Pressure oscillation original signal

1.3 數(shù)據(jù)處理

壓力振蕩的原始信號如圖3所示，從圖3可看出射流壓力振蕩的強度趨勢。

利用壓力振蕩的原始信號求得均方根(prms)值，研究壓力振蕩強度的變化。

式中：pi為瞬時壓力，kPa；N為采樣數(shù)量；pav為平均壓力，kPa。

1.4 實驗數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性

為驗證所得實驗數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性，在同一工況參數(shù)下進行了多次實驗。對壓力振蕩數(shù)據(jù)進行處理，得到的壓力振蕩強度的重現(xiàn)性曲線如圖4所示?？煽闯?，兩次壓力振蕩強度的實驗曲線基本重合，說明實驗數(shù)據(jù)具有良好的重現(xiàn)性。

圖4 壓力振蕩強度的重現(xiàn)性Fig.4 Repeatability of pressure oscillation intensity

2 結果與分析

2.1 不凝結氣體對蒸汽浸沒射流凝結形態(tài)的影響

含有少量不凝結氣體的蒸汽噴射進入過冷水的過程中，攜帶較大動量的飽和蒸汽對靜止的過冷水產(chǎn)生沖擊，在過冷水中噴嘴軸線方向形成汽羽的外形并不斷向后延伸。

實驗研究了空氣質量分數(shù)對蒸汽浸沒射流汽羽形狀的影響。不同空氣質量分數(shù)、蒸汽質量流率和過冷水溫度下具有代表性的汽羽形狀如圖5所示。

從圖5可看出，隨空氣質量分數(shù)的逐漸增大，汽羽形狀發(fā)生了顯著變化。過冷水溫度較低時，過冷水冷凝能力較強，純蒸汽浸沒射流質量流率較小，汽羽及其尾部脫離的蒸汽泡快速被凝結，因此核心汽羽的形狀較短小，汽羽尾部兩相區(qū)無氣泡。

隨蒸汽質量流率的增加，蒸汽噴射進入過冷水中的含量增大，其攜帶的動量增加，同時過冷水對蒸汽射流存在流動阻力，從而使核心汽羽發(fā)生稍許的膨脹，空氣質量分數(shù)較小時，汽羽形狀明顯發(fā)生改變，少量空氣的存在增加了凝結換熱熱阻，惡化了凝結換熱效果，汽羽邊界波動愈加劇烈，并不斷向外擴張，汽液接觸面積即換熱面積增大。

在空氣質量分數(shù)和過冷水溫度增加的過程中，汽羽形狀逐漸發(fā)生變化，汽羽邊界形成不凝結氣體層，蒸汽不能被及時凝結，被汽流攜帶向下游，使得核心汽羽增長，且其攜帶動量逐漸減弱，換熱時間的稍許增加使其得到有效換熱，從而汽羽尾部兩相區(qū)擺動幅度增大，且擺動周期增長，流場空間內(nèi)影響的范圍亦逐漸加大。

圖5 不同參數(shù)下射流的汽羽形狀Fig.5 Vapor plume shape under different parameters

當空氣質量分數(shù)、蒸汽質量流率和過冷水溫度較大時，更多的蒸汽進入過冷水中，過冷水溫度升高使其冷凝能力下降，空氣含量較高、凝結換熱熱阻較大，均使得蒸汽不能及時被凝結。

同時，汽液界面變得非常不穩(wěn)定，波動劇烈，大量蒸汽被攜帶向下游，汽羽長度增加，汽液界面的換熱面積增大，故出現(xiàn)汽羽尾部兩相區(qū)變得發(fā)散，且汽羽尾部周期性脫離無數(shù)明顯的微小氣泡，脫離、破裂的速率也明顯減慢，且其體積也明顯增大，這從圖中較光亮的部分可明顯看到。

2.2 不凝結氣體對壓力振蕩強度的影響

壓力振蕩強度隨空氣質量分數(shù)的變化規(guī)律如圖6所示。實驗表明，不凝結氣體對蒸汽浸沒射流凝結壓力振蕩強度有非常重要的影響。

圖6 壓力振蕩強度隨空氣質量分數(shù)的變化Fig.6 Pressure oscillation intensity variation with air mass fraction

空氣質量分數(shù)為1%～5%時的壓力振蕩強度明顯較空氣質量分數(shù)為0%時的小，即含少量不凝結氣體蒸汽的壓力振蕩強度較純蒸汽壓力振蕩強度明顯變小。但在一定蒸汽質量流率和過冷水溫度下，含有少量不凝結氣體的壓力振蕩強度隨空氣質量分數(shù)的增加整體呈緩慢上升趨勢。

含有不凝結氣體的飽和蒸汽直接噴射進入過冷水中時，蒸汽和過冷水之間通過汽液界面進行傳熱，但其存在不凝結氣體層，使得蒸汽冷凝阻力增加，對其傳熱產(chǎn)生阻礙作用。

2.3 不凝結氣體對壓力振蕩空間分布的影響

1) 軸向分布規(guī)律

壓力振蕩強度隨軸向無量綱距離的分布規(guī)律如圖7所示。隨軸向無量綱距離的增加，壓力振蕩強度先增大后逐漸減小，存在明顯的壓力振蕩峰值，隨空氣質量分數(shù)的增加，峰值位置沿軸向后移。從圖7可見，峰值位置在軸向無量綱距離X=3和X=7之間。一方面由于空氣質量分數(shù)增大總的質量流率增加，汽羽穿透長度增大，另一方面隨著空氣質量分數(shù)的增加，不凝結氣體層加厚，汽泡的體積越來越大，使得蒸汽在過冷水中凝結的過程中，換熱熱阻增加，從而減緩了蒸汽泡潰滅過程，凝結所需時間增長，峰值位置后移。

圖7 壓力振蕩強度隨軸向距離的分布Fig.7 Pressure oscillation intensity variation with axial distance

2) 徑向分布規(guī)律

在流場中不同測點位置壓力振蕩的強弱不同，壓力振蕩強度隨徑向無量綱距離的分布規(guī)律如圖8所示。在不同的空氣質量分數(shù)下，隨徑向無量綱距離的增加，壓力振蕩的強度單調(diào)減弱。不同的汽水參數(shù)下，壓力振蕩強度沿徑向無量綱距離的衰減規(guī)律基本一致。

圖8 壓力振蕩強度隨徑向距離的分布Fig.8 Pressure oscillation intensity variation with radial distance

壓力振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生歸因于汽液界面的兩側在熱量和質量的傳遞與交換過程中相界面的波動作用。壓力振蕩在流場空間各處傳播時，隨徑向無量綱距離的增加，逐漸遠離射流汽羽邊界，即逐漸遠離振蕩的振源，表現(xiàn)出壓力振蕩強度隨徑向無量綱距離的增加逐漸減小。

2.4 不凝結氣體對壓力振蕩峰值特性的影響

壓力振蕩峰值(pv)的大小與位置對實際工程應用中合理選擇設備尺寸及其安裝位置、有效避開壓力振蕩最強烈的區(qū)域有十分重要的指導意義。

1) 不凝結氣體對壓力振蕩峰值大小的影響

不同蒸汽質量流率下，壓力振蕩峰值隨空氣質量分數(shù)的變化如圖9所示。在穩(wěn)定凝結區(qū)域，一定空氣質量分數(shù)下，壓力振蕩峰值隨蒸汽質量流率的增加而逐漸增大，當凝結形態(tài)接近凝結振蕩區(qū)時，壓力振蕩峰值略高。

不同過冷水溫度下的壓力振蕩峰值隨空氣質量分數(shù)的變化如圖10所示。不同空氣質量分數(shù)下，壓力振蕩峰值隨過冷水溫度的升高而逐漸增大，且空氣質量分數(shù)較小時，峰值隨過冷水溫度增加的速率明顯快。另外，在過冷水溫度較低時，壓力振蕩峰值隨空氣質量分數(shù)的增加而緩慢增大，過冷水溫度較高時，峰值隨空氣質量分數(shù)的增加而逐漸減小。過冷水溫度上升過程中存在凝結形態(tài)變化的過渡區(qū)域[1-6]。

不凝結氣體對汽液界面的波動有顯著影響。當過冷水溫度較低時，冷凝能力較強，蒸汽被迅速凝結，汽羽長度相對較小。少量不凝結氣體會阻礙汽液界面?zhèn)鳠醾髻|，隨空氣質量分數(shù)的增加，傳熱傳質能力逐漸下降，汽羽形狀發(fā)生膨脹，界面波動頻率增快、幅度增大。

圖9 不同蒸汽質量流率下壓力振蕩峰值隨空氣質量分數(shù)的變化Fig.9 Pressure oscillation peak value variation with air mass fraction at different steam mass flow rates

圖10 不同過冷水溫度下壓力振蕩峰值隨空氣質量分數(shù)的變化Fig.10 Pressure oscillation peak value variation with air mass fraction at different subcooled water temperatures

當過冷水溫度較高時，其冷凝能力下降，蒸汽不能及時被冷凝，汽羽的長度增加，在流場中的影響范圍增大。隨空氣質量分數(shù)的增加，汽液界面變得非常不穩(wěn)定，波動愈加劇烈。汽羽邊界形成不凝結氣體層，大量蒸汽被不凝結氣體流攜帶向下游，使得核心汽羽增長，且其攜帶動量逐漸減弱。汽羽邊界受到水的阻力影響流速減慢，換熱時間及換熱面積的稍許增加即可使蒸汽得到有效換熱。汽羽邊界間歇性脫離無數(shù)明顯的微小氣泡，脫離、破裂的速率也明顯減緩，界面波動頻率減慢、強度減弱。

2) 不凝結氣體對壓力振蕩峰值位置的影響

通過分析壓力振蕩峰值位置隨空氣質量分數(shù)的分布，得到蒸汽質量流率為600 kg/(m2·s)、過冷水溫度為50 ℃、空氣質量分數(shù)由0%增加到5%時，壓力振蕩峰值位置由軸向無量綱距離X=5增大到X=10，即壓力振蕩峰值的位置隨空氣質量分數(shù)的增加逐漸沿軸向后移。通過同樣方法，在本實驗所有工況參數(shù)下統(tǒng)計得到，壓力振蕩峰值位置的變化范圍為X=3～12。

少量不凝結氣體的存在使汽羽外形成不凝結氣體層，嚴重惡化凝結換熱效果。隨空氣質量分數(shù)的增加，蒸汽凝結換熱熱阻增加，汽羽不能及時被凝結，使得汽羽穿透長度增加，故壓力振蕩峰值位置逐漸沿軸向后移。

3) 峰值位置與穿透長度的關系

含少量不凝結氣體的蒸汽浸沒射流壓力振蕩強度與汽羽凝結形態(tài)有密切的內(nèi)在聯(lián)系，為此對壓力振蕩峰值位置與汽羽穿透長度的關系進行了研究。不同空氣質量分數(shù)下，壓力振蕩強度軸向分布和相同工況下汽羽凝結形態(tài)的對比如圖11所示。

蒸汽中含有少量不凝結氣體時，壓力振蕩的峰值位置恰好位于核心汽羽無量綱穿透長度最大的位置，即壓力振蕩最強的位置位于核心汽羽尾部，且具有良好的一致性。

不凝結氣體和過冷水阻力的存在使得汽羽尾部蒸汽流動速度下降，汽羽尾部為核心汽羽流速最低處，蒸汽在汽羽尾部的汽液界面處快速被凝結，此處存在劇烈的質量和熱量的傳遞。在蒸汽攜帶動量和過冷水冷凝的作用下，汽羽尾部汽泡的脫離、潰滅導致汽羽穿透長度發(fā)生連續(xù)的周期性變化，汽羽尾部汽液界面在某個位置波動。汽羽尾部的波動產(chǎn)生劇烈的壓力振蕩，核心汽羽尾部即為壓力振蕩峰值的位置。

圖11 壓力振蕩峰值位置和汽羽形狀的對比Fig.11 Comparison of pressure oscillation peak position and steam shape

3 結論

通過實驗研究了不凝結氣體對蒸汽浸沒射流凝結形態(tài)和振蕩強度的影響，得到以下主要結論。

1) 含有少量不凝結氣體時，蒸汽浸沒射流凝結形態(tài)發(fā)生顯著變化。隨空氣質量分數(shù)的增加，核心汽羽形狀發(fā)生膨脹，汽液界面變得非常不穩(wěn)定，波動愈加劇烈。汽羽長度增加且尾部兩相區(qū)形狀變得發(fā)散，脫離無數(shù)明顯的微小氣泡。

2) 含不凝結氣體的壓力振蕩強度較純蒸汽時明顯變小，但含有少量不凝結氣體的壓力振蕩強度隨空氣質量分數(shù)的增加整體呈緩慢上升趨勢。壓力振蕩強度隨軸向距離的增加先增大后逐漸減小，存在壓力振蕩峰值。隨空氣質量分數(shù)的增加，峰值位置沿軸向后移。壓力振蕩強度隨徑向距離的增加而單調(diào)減小。

3) 過冷水溫度較低時，壓力振蕩峰值隨空氣質量分數(shù)的增加而緩慢增大；過冷水溫度較高時，規(guī)律恰好相反，且中間存在過渡區(qū)域。峰值位置在軸向無量綱距離X=3和X=12之間。含少量不凝結氣體的蒸汽浸沒射流壓力振蕩，其峰值的位置恰好位于核心汽羽無量綱穿透長度最大的位置，即壓力振蕩最強的位置位于核心汽羽尾部，且具有良好的一致性。