管束通道內沸騰兩相流特性的研究

向文元，呂永紅，趙桂生

（中科華核電技術研究院，廣東深圳518124）

管束通道廣泛存在于各種工業換熱設備中，這些通道的沸騰兩相流流動與傳熱特性對工業設備的熱工水力性能和安全可靠性有著重要的影響。由于受管束通道截面特殊幾何結構和通道內特殊流型的影響，流體流過管束間狹窄通道時所表現出的換熱特性與常規尺寸直管內的不同，流體縱向流過管束通道時的沸騰流動及傳熱是一種復雜兩相流問題［1］。對這種特殊流道內的流動換熱及兩相流型轉變特性進行研究，有著非常重要的意義。

流型及流型預測是兩相流科學領域中的重要研究課題，在特定流動條件下存在的流型種類、流型判定方法及建立科學的流型過渡判據是確定兩相流動壓力降和傳熱特性的基礎。Bergles［2］應用4根直管組成的實驗流道模擬水冷反應堆燃料組件對管束流動沸騰進行了流型的實驗研究，發現在管束的同一截面上會共存不同類型的流型、不同截面的流型過渡也不同。Grant［3］在臥式帶有折流板的殼管式換熱器模型上采用簡單的可視化方法研究了空氣－水混合物垂直、水平流動時的流型分布。實驗在不同的氣相和液相條件下得到了垂直和水平流動方向上存在的多種流型，包括霧狀流、泡狀流、間歇流、分層－霧狀流和分層流；Chan ＆Shoukri［4］在長方形實驗段內觀察了R113池沸騰條件下的流型。管束為Ф19．05mm的電加熱管長方形順排單管、3×1、3×3、9×3管束，間距為23．8mm×31．75mm。馬衛民［5］對空氣－水混合物在Ф300mm×7．5mm的透明圓柱形殼體換熱器模型中水平及垂直管束中的流動進行了實驗研究，經可視化觀察發現氣液兩相沖刷水平管束時，流型分為光滑分層流和波動分層流兩種流型；氣液兩相沖刷垂直管束時，流型分為細泡狀流和間歇狀流兩種流型。M．Sadatomi［6］等人在常溫常壓下用空氣－水為工質，在2×3棒束通道內進行了實驗研究，并繪制了整個通道內的流型圖。

資料表明，目前對管束間通道內汽液兩相流型及其轉變特性的研究還具有較大的局限性，研究主要集中在非加熱條件下流體沖刷管束時的情形，對流體縱掠管束流動沸騰的實驗研究較少，需要進行更加深入的研究。本文通過對管束通道內的沸騰兩相流進行實驗研究，分析了該通道內沸騰兩相流型及其轉變特性，并與普通圓管通道內的汽液兩相流型進行比較，為工程設計計算提供參考。

1 實驗裝置

實驗選定R113為工質，R113汽化潛熱小，沸點低，可用于模擬高溫高壓下水的沸騰換熱實驗。管束外復雜通道流動沸騰實驗系統流程如圖1所示。工質經預熱器1加熱至預定溫度后，流經流量計2和流量調節閥3，隨后進入實驗段通道6；沸騰后的汽液兩相流體進入汽液分離器8分離，蒸汽經冷凝器11兩次冷凝后，與分離出的液態工質匯合，流回到儲液罐，然后進入冷卻器13冷卻后再由磁力泵14送入預熱器，形成一個循環。

圖1 實驗流程圖Fig．1 Schematic diagram of experimental apparatus

實驗中選用的磁力泵可以保證很好的密封，防止制冷劑的泄漏；蒸汽冷凝系統采用水冷式板式換熱器，用于冷凝從分離器分離出的制冷劑蒸汽，調節板式換熱器的冷卻水量可以很好的控制蒸汽冷凝量，另外，采用二次冷凝可以保證汽態工質完全冷凝。

實驗段結構如圖2所示，實驗段由管束加熱器和有機玻璃套管組成，管束加熱器由四根功率相同的不銹鋼加熱管構成，加熱器管長800mm，可通過調節電壓改變其加熱功率；加熱管的單管外徑為8mm，相鄰管中心距為13mm。有機玻璃套管長1 500mm，內徑30mm，外徑40mm。實驗中，流量范圍為50～500kg／h，熱流密度為0～60kW／m2。

圖2 實驗段結構圖Fig．2 Structure of test section

2 實驗研究

實驗中利用高速攝像裝置對管束通道距底部500mm處的沸騰兩相流流型進行了觀測和記錄，在不同加熱熱流密度和液體流量條件下，獲得如圖3所示的典型流型照片。通過對大量流型的分析，本文實驗確定在管束通道內流動沸騰的汽液兩相流的主要流型為：泡狀流、泡狀－攪混流、攪混流（或乳沫狀流）和環狀流，與管內兩相流流型有較明顯的差別。

圖3 垂直管束通道內流型轉變Fig．3 Flow patterns in a vertical tube－bundle channel

分析表明，管束通道中的沸騰兩相流流型變化與圓管內流型變化存在較大差別的原因在于：首先，幾何因素的影響。管束流道截面被管束切割成為若干子通道，管束對流體的流動產生較大干擾，不僅增強了兩相流動的擾動，分割大汽泡，而且各子通道間流動相互干擾，增加了流動的復雜性；其次，二者的加熱條件不同。圓管通道兩相流體的沸騰屬于管內流動，熱量通過圓管管壁對管內流體進行加熱。而對于管束通道兩相流體的沸騰，兩相流體在加熱的管束外流動，熱量通過管束壁面對管外流體加熱。從而，管束通道中的兩相流流型呈現出不同特性。

圖4是在本實驗條件下，管束通道內汽液兩相流動沸騰出現的主要流型：即泡狀流、泡狀－攪混流、攪混流（乳沫狀流）和環狀流，與Hewitt ＆Roberts［7］所得垂直圓管內流型有較大差別，這幾種流型的特性描述如下：

圖4 垂直管束通道內流型示意圖Fig．4 Schematic diagram of flow pattern

（1）泡狀流：實驗觀測表明，開始加熱時，熱流密度較小，流體開始產生沸騰，加熱段出現球形小汽泡。與管內流動泡狀流相似，其液相流體是的主流，離散的汽泡彌散分布在連續液相的主流中，并隨主流沿流動方向向上運動。汽泡在上升過程中持續受熱，汽泡的數量和大小沿流道逐漸增加。隨著汽泡的尺寸長大和數量的增多，孤立汽泡開始聚合和變形，受到管束通道狹窄空間的限制，汽泡變形為橢圓形或月牙形；隨著熱流密度的進一步增加，汽泡幾乎占據了管束通道的整個空間。

（2）泡狀－攪混流：隨著小汽泡不斷聚集，管束通道內的聚合汽泡不斷增大，當長大到一定尺寸時，由于管束對大汽泡的擾動及分割，使得管束通道內沒有發生與圓管通道中相同的彈狀流，而由泡狀流向攪混流過渡。

（3）攪混流（乳沫狀流）：隨著熱流密度的繼續增加，管束通道內的聚合汽泡增大，由于管束對聚合汽泡的擾動及分割，聚合汽泡表現出不穩定狀態，很快發生破裂，流型轉變為攪混流。此時，破裂后的聚合汽泡產生很多不規則汽泡，摻雜分布在液流中。這種流型的特征是振蕩型的，液相在通道中交替地上下運動。實驗觀測表明，當流動進入攪混流型時，管束通道內的汽相和液相受到強烈的擾動，加熱管束壁面和套筒內壁受到強烈的沖刷。

（4）環狀流：由于壁面的持續加熱，通道內的干度增大，當汽相含量比液相乳沫狀流還高時，攪混現象逐漸消失，塊狀液流被擊碎，汽泡團聚并形成連續的汽相，形成汽相軸心，從而產生了環狀流。此時，液相主要以液膜的形式沿管壁連續穩定的向上流動。液膜內仍有大量汽泡，汽流的沖刷使得液膜出現波紋，形成一個波動的交界面，由于波的作用可能造成液膜的破裂。隨著熱流密度的增加，環狀流向下延伸。由于條件限制，實驗中管束通道沒有蒸干而產生霧狀流。

在常規尺寸的圓管通道內，彈狀流為垂直向上沸騰兩相流的主要流型之一。而在管束通道內，由于管束對液相和汽相的分割以及各子通道間流動的互相干擾，使沸騰產生的汽泡無法聚合成為與管束通道尺寸相當的汽彈，因此，管束通道內沒有發生與常規圓管通道內相同的彈狀流，而由泡狀流發展轉變成為攪混流。另一方面，在常規尺寸的圓管通道內，攪混流為彈狀流向環狀流轉變的過渡流型，存在時間很短，在一些情況下圓管內并不發生攪混流；而在管束通道中，攪混流為主要流型之一，產生攪混流的工況范圍較廣，存在時間較長，這也是管束通道與圓管通道沸騰兩相流型的差別之一。

另外，在實驗中還發現，在管束通道的同一截面，會出現兩種流型共存的情況，不同子通道內流型的轉變表現出不同步性。這是由于加熱管道的特殊幾何形狀導致不同子通道內的加熱強度不同，各子通道內汽泡的生成數量和聚合程度也有所不同，因此導致各子通道內流型轉變的不同步性。這與Bergles［2］采用探針所測得的管束通道內流型轉變結果相似。

將實驗所得流型圖繪于圖5，并與Hewitt＆Roberts流型判別［7］進行比較，由于實驗條件限制，質量流速沒有達到Hewitt ＆Roberts所研究范圍的最大值。

圖5 垂直管束通道內沸騰汽液兩相流型圖Fig．5 Flow pattern map of two－phase boiling flow in a tube－bundle channel

式中：ρ′——液相密度，kg／m3；

ρ″——氣相密度，kg／m3；

jf——液相計算速度，m／s；

jg——氣相計算速度，m／s；

G——質量流速，kg／（m2·s）；

x——質量含氣率。

由圖5可以看出，管束通道內流型轉變與垂直圓管內流型轉變有很大差別，泡狀流發生區間明顯向左移動，泡狀流和攪混流產生區間都有所擴大。這是由于垂直圓管產生彈狀流時，在同樣條件下，在管束通道中由于管束對大汽泡的擾動和分割，使汽泡不能聚合成為與通道直徑相當的汽塞，而使泡狀流和攪混流的流型區域擴大。另外，由于管束通道為中心加熱，汽泡在管束通道中心產生，使得中心處汽泡數量增多，聚合幾率增加，因此管束通道中兩相流型會提前向環狀流轉變。

3 結論

1）利用高速攝像裝置對管束通道內沸騰兩相流進行了可視化實驗，對管束通道內沸騰兩相流型及其轉變特性進行研究分析，發現本文實驗中的管束通道內的兩相流型主要為：泡狀流、泡狀－攪混流、攪混流（乳沫狀流）和環狀流，與圓管內沸騰兩相流流型具有較大差別。

2）實驗中發現，在管束通道的同一截面，會出現兩種流型共存的情況，不同子通道內流型的轉變表現出不同步性。

3）繪制了管束通道內沸騰汽液兩相流的流型圖，并與Hewitt ＆Roberts流型判別進行比較，為管束通道內兩相流型轉變的判定奠定基礎。

［1］ Petigrew M J，Taylor C E．Two－phase flow－induced vibration：An overview［J］．J of Pressure Vessel Technology，1994，166：233－253．

［2］ Bergles A E．Two－phase flow and heat transfer in the power and process industries［M］．Washington：Hemisphere Pub Corp，1981．

［3］ Grant I D R，Chisolm D．Two－phase flow on the shellside of a segmentally baffled shell and tube heat exchanger［J］．J of Heat Trans，1979，101：38－42．

［4］ Chan A M C，Shroukri M．Boiling characteristics of small multi－tube bundles［J］．ASME J Heat Transfer，1987，109：753－760．

［5］ 馬衛民．殼管式換熱器內氣液兩相流動特性的實驗研究［D］．西安：西安交通大學，1992．

［6］ Sadatomi M，Kawahara A．Flow characteristics in hydraulically equilibrium two－phase flows in a vertical 2×3rod bundle channel［J］．International Journal of Multiphase Flow，2004，30：1093–1119．

［7］ Hewitt G F，Roberts D N．Studies of two－phase flow patterns by simultaneous X－ray and flash photography［M］．Rept AERE－M2159，UKAEA，Harwell，1969．