在核動(dòng)力裝置設(shè)備中經(jīng)常會(huì)發(fā)生兩相流動(dòng)現(xiàn)象,對(duì)于核電廠設(shè)備而言兩相流中氣相的主要存在形式為汽泡;另一方面,核反應(yīng)堆堆芯中燃料包殼溫度過高會(huì)發(fā)生沸騰換熱現(xiàn)象,而泡核沸騰換熱的傳熱量比單相液體時(shí)更大就是因?yàn)槠莸拇嬖?增強(qiáng)了冷熱流體之間的對(duì)流換熱。因此,為了揭示沸騰換熱機(jī)理以及保證核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行,對(duì)于沸騰工況下汽泡的生長特性進(jìn)行研究是十分必要的。本文主要對(duì)大容積池沸騰工況下的汽泡行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的汽泡基本參數(shù)分析外部邊界條件對(duì)汽泡生長規(guī)律產(chǎn)生的影響,并對(duì)汽泡脫離壁面核化點(diǎn)時(shí)的尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。搭建了沸騰工況下汽泡可視化研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái),用于模擬池沸騰現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)水箱的尺寸為250×150×300 mm,實(shí)驗(yàn)時(shí)的液體工質(zhì)采用去離子水,實(shí)驗(yàn)過程中始終讓水箱中的水保持一定的過冷度,使實(shí)驗(yàn)條件為過冷沸騰工況,汽泡由水箱底部的導(dǎo)電加熱裝置產(chǎn)生,高速攝影儀置于水箱正面用于拍攝記錄汽泡的生長運(yùn)動(dòng)行為,通過圖像處理軟件對(duì)汽泡圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,能夠得到研究需要的汽泡基本參數(shù)。概括介紹了泡核沸騰的幾種假設(shè)模型,給出了適用于本文實(shí)驗(yàn)研究工況的汽泡的脫離直徑預(yù)測(cè)的力平衡模型。對(duì)比其他學(xué)者實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文研究的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。并對(duì)實(shí)驗(yàn)研究中得到的汽泡脫離直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)相同工況下同一核化點(diǎn)生成的汽泡的脫離尺寸并非固定值而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng),這種波動(dòng)會(huì)隨著壁面熱流密度的增加而減小,多數(shù)汽泡的脫離直徑介于0.2~0.3mm之間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究壁面熱流密度對(duì)汽泡生長規(guī)律的影響。研究表明,隨著壁面熱流密度的增加,汽泡的生長速率加快,生長周期縮短,相同工況下同一核化點(diǎn)處生成的汽泡穩(wěn)定性更好,核態(tài)沸騰狀態(tài)更加穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究液體過冷度對(duì)汽泡生成現(xiàn)象的影響。研究發(fā)現(xiàn),液體過冷度的增加會(huì)導(dǎo)致相同工況下同一核化點(diǎn)生成的汽泡的尺寸的隨機(jī)性增加。在實(shí)驗(yàn)過程中還觀察到了汽泡的冷凝和聚合現(xiàn)象,通過研究發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)這兩種現(xiàn)象分別與液體過冷度和壁面熱流密度有關(guān)。此外,在研究過程中還發(fā)現(xiàn)汽泡所能達(dá)到的最大直徑主要受汽泡的初始生長速率影響;汽泡的尺寸越大,其做浮升運(yùn)動(dòng)時(shí)豎直方向的速率越快等。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM623
【部分圖文】：

的新氣泡產(chǎn)生一定的影響，他們將氣泡的生成過制、雙周期成對(duì)區(qū)制（指前一個(gè)氣泡和后面一個(gè)、雙周期合并區(qū)制（指前一個(gè)氣泡在新生成的氣泡、三周期區(qū)制和混沌區(qū)制等。者們對(duì)水下小孔氣泡生成模型的研究，除了模型現(xiàn)象相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。因?yàn)闅馀萆蛇^程不同學(xué)者把氣泡從水下小孔生成到氣泡脫離小孔[8]利用圖 1 所示實(shí)驗(yàn)裝置研究了孔徑為 0.054mm，他們通過所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)氣泡形態(tài)的變化將的整個(gè)過程分為四個(gè)階段，分別是：生長階段、建宇[9]研究了孔徑大于 1mm 的水下小孔氣泡生成分析過界面平衡和氣泡受力平衡條件后他認(rèn)為氣段和脫離階段等三個(gè)階段。

(a) (b)圖 1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與汽泡脫離直徑模型預(yù)測(cè)值比較圖[34-35]Van Stralen et al.[37]建立了一個(gè)適用于純流體的汽泡的等待周期和生長周期之間的關(guān)系式，即其等待周期約等于三倍的生長周期。汽泡的生長速度也是汽泡動(dòng)力學(xué)的一個(gè)主要參數(shù)，它的定義為汽泡的尺寸改變與時(shí)間的比值，它還與 Staniszewski[33]和 Cole & Shulman[38]給出的氣泡脫離直徑有關(guān)。汽泡生長速度也和雅各布數(shù)、熱耗散率的二分之一次方以及時(shí)間的二分之一次方存在潛在聯(lián)系[39-41]。Mikic & Rohsenow[42], Van Stralen & Sluyter[43]和 Copper[44]分別提出了跟汽泡的等待周期、生長周期和普朗特?cái)?shù)有關(guān)的汽泡生長模型。Mikic[45]等在認(rèn)為加熱表面上生成的汽泡是球形的情況下，提出了單一液體工質(zhì)中汽泡生長速度預(yù)測(cè)的關(guān)系式，并且他們還假設(shè)了蒸汽壓力與溫度之間滿足Clausius-Clapeyron 方程的線性解析關(guān)系，蒸汽的密度保持恒定等。接下來，Zhao[46]等在認(rèn)為加熱壁面上生成的汽泡為半球形的情況下，通過解微液

率預(yù)測(cè)關(guān)系式。之后，陸續(xù)有學(xué)者研究了單氣泡、聚合氣泡、高熱流密度飽和池沸騰情況下產(chǎn)生的氣泡以及混合流體工質(zhì)池沸騰產(chǎn)生的汽泡的脫離頻率，研究結(jié)果表明：隨著熱流密度加大汽泡的脫離頻率和脫離直徑都會(huì)增加。但是目前所建立的理論模型還不能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)汽泡的脫離頻率。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，避免的熱流密度、壁面過熱度及液體工質(zhì)的過冷度都會(huì)對(duì)沸騰工況下的氣泡生成現(xiàn)象產(chǎn)生影響，所以在實(shí)驗(yàn)過程中還應(yīng)該對(duì)這些因素進(jìn)行研究。研究學(xué)者[57-59]發(fā)現(xiàn)：隨著壁面熱流密度的增加，汽泡的脫離頻率、運(yùn)動(dòng)速度、汽化核心密度會(huì)增加，而汽泡的脫離直徑、等待周期、生長周期會(huì)減少。Siedel[60]等通過研究發(fā)現(xiàn)：在低壁面熱流密度工況下，光滑和粗糙表面的汽泡脫離直徑無明顯差別；然而，在高壁面熱流密度工況下，光滑表面的汽泡脫離直徑相對(duì)較大。還有一些科研人員[57, 61, 62]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著壁面過熱度增加，汽泡的脫離直徑、脫離頻率、等待周期和汽化核心密度會(huì)增加，而汽泡的生長周期會(huì)減小。另外有研究人員[63]發(fā)現(xiàn)增加過冷度會(huì)使汽泡生長周期增加，汽泡的脫離直徑和脫離頻率減小。
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