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摇摆条件下窄通道流动沸腾气泡脱离特性研究

高风  
【摘要】:窄矩形通道因结构紧凑和较高的换热效率而得到越来越多的应用,尤其是在航天和核动力设备中。研究窄通道中的两相流特性对窄通道结构在设备中的应用有重大意义。本文主要研究窄通道中过冷流动沸腾气泡的脱离特性。实验压力主要集中在常压下。工质采用去离子水,入口过冷度为10~30K,质量流量为80~250kg/h,热流密度为0.03~0.5MW/m2。实验回路是闭式回路,搭建在摇摆台上,可以进行不同周期和角度的摇摆来模拟海洋条件,并可以进行大角度的倾斜实验,研究摇摆和倾斜对气泡脱离的影响。 实验段是单面加热可视化实验段,实验中高速摄影仪拍摄速度为5000fps。利用高速摄影仪拍摄通道中的气泡行为,捕捉气泡从开始产生到溃灭的所有行为。图片记录了气泡的位置、直径、滑移和脱离等信息,利用相应的处理方法来获得这些数据。 常压下过冷沸腾的气泡生长直径较大,冷凝速度也较快。Zuber过冷沸腾生长模型适用于本实验中的气泡生长曲线。气泡生长力对气泡的行为影响较大,对气泡的垂直脱离影响较大。气泡在浮升之前先开始滑移,气泡的浮升主要是由于冷凝引起的。 实验中质量流量、过冷度和热流密度对气泡行为均有影响。质量流量增加,气泡的最大直径减小,气泡的浮升直径也减小,气泡的滑移速度增加;质量流量减小时,气泡的最大直径增大,气泡的浮升直径也增大,气泡的滑移速度也减小。过冷度降低和热流密度增加时,壁面上的核化点增多,气泡的脱离频率增高,气泡的最大直径增大,气泡的浮升直径也增大;当过冷度增加和热流密度减小时,气泡的最大直径减小,气泡的浮升直径减小,气泡的脱离频率减小。在本实验中,Zuber模型过高预测了气泡的生命周期,采用新的拟合公式比较准确预测气泡的生长和冷凝速率。摇摆的周期和角度对气泡的脱离频率影响极小。摇摆对气泡生长的最大直径影响较大,在正角度时,气泡的最大直径大于负角度时的气泡最大直径。在倾斜静止时,正角度倾斜下的气泡脱离频率和最大直径大于负角度倾斜时的气泡脱离频率和最大直径。 不凝性气体对气泡行为影响较大。不凝性气体会产生长距离滑移的气泡,气泡滑移带走壁面的热量,使得壁面产生的气泡的最大直径变小。流动不稳定会产生流量波动,甚至倒流。在流速降低或倒流时,壁面产生的气泡变少,最大直径变小;在流速增加时,壁面核化点增多,产生气泡增多,气泡的直径也较大,气泡的滑移距离也增大。


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