加熱面朝下的池沸騰汽泡動態行為研究

鐘達文，史昊鵬，孟繼安，秦天驕，張 顯，劉 赟

(1.華北電力大學 非能動核能安全技術北京市重點實驗室，北京 102206；2.清華大學 航天航空學院，北京 100084；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

日本福島核事故后，壓力容器外部冷卻技術成為新建壓水堆核電站嚴重事故管理中必備的措施[1-3]。其工作原理在于當壓水堆核電站發生堆芯熔化事故時，通過非能動方式向反應堆腔室注水，使壓力容器底部下封頭淹沒，在壓力容器外部發生池沸騰換熱冷卻壓力容器內部熔融物，從而保證壓力容器的結構完整性。國內外已開展了大量研究旨在提高壓力容器外表面的臨界熱流密度(CHF)，然而對加熱表面朝下的汽泡動態行為及其對CHF影響的機理缺乏深入的研究。

實驗研究發現，加熱面朝下的沸騰換熱的CHF隨著傾角的增大而增大[4-7]，同時Yang等[8]和Howard等[9]發現CHF隨著傾角的減小存在“轉折角效應”，即當傾角小于某一值時，CHF會迅速下降。汽泡在加熱表面朝下的停留時間與沸騰危機的觸發機理具有直接關系。鐘達文等[7]通過可視化發現朝下溝槽結構表面高熱通量時在不同傾角下的汽泡運動形態可分為蒸汽膜結構和波浪蒸汽層結構，兩種汽泡結構有不同的脫離周期。通過高速攝像機捕捉汽泡動態行為，并通過圖像處理技術提取和分析汽泡行為是近年來發展的新技術。Pham等[10-11]采用背光布置通過高速攝像機研究了模擬3×3沸水堆燃料棒束布置的環形兩相流，利用圖像處理分析了氣液截面的動態行為特征，獲得了液膜平均厚度、高度、速度等數據。Chang等[12]研究了單個汽化核心的汽泡脫離直徑和脫離頻率等規律。徐建軍等[13]采用高速攝像機從寬面和窄面立體可視化觀察了滑移汽泡間的聚合特性。陳德奇等[14]對窄空間內自然對流條件下的沸騰空泡演化行為進行了可視化實驗研究，得到了不同熱流密度下的汽泡生長特性曲線。Beck等[15]采用圖像處理技術研究了朝下半球外表面膜態沸騰過程中汽膜的動力學行為，汽膜厚度隨過冷度的增加和傾角的減小而減小。Cheung等[6]實驗發現朝下半球表面汽泡脫離頻率約為4 Hz。Gopal等[16]利用數字圖像處理技術對氣液兩相流中彈狀流的局部速度和空泡份額進行了定量研究。Dinh等[17]利用預處理(新建背景和降低噪聲)、邊緣檢測(提取汽泡邊緣和邊緣增強)，提取了氣液兩相流中泡/彈狀流的汽泡結構。薛艷芳等[18]采用數字圖像處理技術和高速攝像技術研究了反應堆壓力容器下封頭外部冷卻過程，分析了不同工況下沸騰汽泡的界面演化、汽膜厚度、沸騰循環周期等汽泡行為特征。

綜上所述，國內外利用圖像處理技術研究汽泡的動態行為主要集中在泡狀流和彈狀流流動過程中或孤立汽泡的動態行為，加熱表面朝下的汽泡動態行為研究主要集中在朝下半球曲面。然而針對朝下平板表面的汽泡動態行為研究較少。本文擬采用圖像處理技術研究加熱平板表面朝下的沸騰過程中汽泡脫離周期、汽膜厚度和脫離速度等行為特征，為加熱表面朝下沸騰換熱機理提供定量化分析。

1 實驗裝置及圖像處理方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置由實驗件系統、操作條件控制系統、數據采集系統等組成，圖1為實驗裝置和實驗件示意圖。實驗件系統包括可旋轉水箱和實驗組件，其中可旋轉水箱設置有5個觀察窗，可方便地在任意傾角觀察實驗件表面的沸騰狀況。實驗組件密閉安裝在旋轉水箱中可360°旋轉，實驗件為帶電加熱棒的方形紫銅塊(100 mm×100 mm×75 mm)，內插24根功率為1 kW的電加熱器，24根電加熱器分4組均勻布置以保證熱流密度均勻，沸騰換熱表面為圖中銅塊最底面，尺寸為100 mm×100 mm。通過高速攝像機采集汽泡動態過程，采集頻率為500 Hz，分辨率為1 280×1 024像素。

圖1 實驗裝置(a)和實驗件示意圖(b)Fig.1 Experimental apparatus (a) and test section diagram (b)

1.2 圖像處理方法

實驗表面為溝槽結構表面，溝槽寬度為1 mm、深度為1 mm、間距為2 mm，在飽和水中對其進行沸騰換熱實驗，獲得了CHF隨傾角的變化規律，CHF隨傾角θ的增大而增大，θ=5°時測得的CHF為956 kW/m2；θ=90°時，CHF最高達到2 075 kW/m2。具體結果分析可參考文獻[7]。θ=5°、換熱表面的熱流密度q=945 kW/m2時的沸騰換熱汽泡行為如圖2所示，此時的沸騰處于核態沸騰區。0 ms時加熱表面處于1個大汽泡脫離的末期，加熱表面開始長出聚合的汽泡，而后一直到200 ms汽泡逐漸長大并在朝下表面伸展開來，當汽泡的尺寸超過朝下表面的尺寸后，240 ms時汽泡開始脫離，280 ms圖像中可清晰看到汽泡向上脫離。320 ms時大汽泡已完全脫離加熱表面，下一個汽泡開始生長，如此周而復始。

針對加熱平板表面朝下的沸騰換熱過程的汽泡動態行為，基于Matlab軟件開發了圖像處理分析程序。通過視頻處理軟件將所拍攝的視頻按每幀提取獲得清晰的圖像，同時選取背景圖像，以便后期進行運算。圖像處理過程分為3個部分：1) 預處理部分，首先讀取視頻提取圖像(即目標圖像)和背景圖像，獲取目標圖像的幾何結構信息；2) 數字圖像的處理部分，將目標圖像與背景圖像進行差運算，然后對圖像進行預處理，消除圖像的噪聲，再將圖像進行二值化處理，填充缺損的汽泡，檢測汽泡的邊緣，獲得完整的汽泡結構；3) 汽泡特征參數提取部分，通過氣液界面捕捉，獲得汽泡的脫離周期、脫離速度和汽膜厚度。采用圖像處理分析程序對圖2中的圖像進行處理后得到二值化的汽泡結構，如圖3所示。為避免非加熱表面下方停留的汽泡對數據的干擾，圖像處理程序只提取了加熱表面下方的汽泡信息，而非將加熱表面下方的汽泡通過背景圖像運算消除掉。

電加熱器尺寸、熱電偶插孔孔徑以及插孔與換熱表面的距離使用游標卡尺測量，測量精度為±0.02 mm，熱電偶測溫的測量精度為±0.5 ℃，實驗過程中的誤差主要來自于晶閘管整流器調節功率所造成的波動和熱電偶測溫誤差。熱流密度的不確定度為4.0%。表面溫度的不確定度為5.0%。高速攝像機圖像分析表明，圖像精度為0.2 mm/像素，汽膜厚度的精度取決于兩個因素：高速攝像機圖像基于像素的尺寸標定的準確性和氣液界面的測定，借鑒文獻[15]的分析方法，蒸汽層厚度的不確定度小于10%。

圖2 θ=5°、q=945 kW/m2時的沸騰換熱汽泡行為Fig.2 Bubble dynamic behavior with q=945 kW/m2 and θ=5°

圖3 θ=5°、q=945 kW/m2時二值化處理后的汽泡Fig.3 Binary image of bubble dynamic behavior with q=945 kW/m2 and θ=5°

2 結果分析與討論

為獲得汽泡脫離周期，須提取覆蓋在加熱表面下的汽泡的面積，通過汽泡在加熱表面下占有的面積波動情況來計算汽泡的脫離周期。本文將汽泡所占用的面積除以加熱表面的長度定義為汽膜厚度。選擇分析時間段為8 s，8 s內可包含數十個汽泡脫離周期。圖4為θ=5°、q=945 kW/m2時汽膜厚度和汽泡脫離速度隨時間的變化規律。汽膜厚度的平均值約為40 mm，最小值為16 mm，最大值為67 mm，由于加熱表面處于旺盛的核態沸騰區，加熱表面始終有汽泡周期性地產生、聚合、向四周擴散，最終脫離。通過統計8 s內汽膜厚度的波動周期可得到θ=5°、q=945 kW/m2時汽泡脫離周期為0.27 s。汽泡法向脫離速度定義為前后兩次汽泡覆蓋面積的差值除以時間，汽泡脫離速度最高可達0.7 m/s，最低為-0.4 m/s，負號表示汽泡厚度減小。

采用相同的圖像處理方法對傾角(5°、30°、45°、60°和90°)在不同熱流密度下的汽泡動態圖像處理后，得到汽泡脫離周期隨熱流密度的變化，如圖5所示。汽泡脫離周期隨熱流密度的增大呈減小的趨勢，當熱流密度大于400 kW/m2時，汽泡脫離周期基本穩定，最終維持在一穩定值。隨著傾角的增大，汽泡脫離周期逐漸減小，其中傾角為5°時，汽泡脫離周期穩定在約0.27 s；傾角為30°、45°、60°和90°時，汽泡脫離周期分別穩定在0.21、0.19、0.15和0.13 s。可看出，傾角越小，汽泡脫離周期越長，這與文獻[19]中的蒸汽膜結構和波浪蒸汽層結構的汽泡觀察結果相互佐證。不同的汽泡結構對換熱表面沸騰換熱的機理有著本質的區別，對于傾角較小的蒸汽膜結構，由于加熱表面朝下對汽泡脫離造成嚴重的阻礙，汽泡只能在加熱表面附近持續長大并相互聚合生成大汽泡，直到汽泡尺寸大過朝下表面尺寸時，汽泡才以大汽泡的形態逃逸換熱表面，冷卻水迅速潤濕換熱表面，開啟新一輪汽泡生長周期，因此蒸汽膜結構的脫離周期相對較大，沸騰危機更易發生。然而，波浪蒸汽層結構由于汽泡脫離過程中呈波浪型，因此在波谷的位置，冷卻水可較好地潤濕換熱表面，這與蒸汽膜結構中冷卻水必須等大汽泡脫離后再潤濕換熱表面的機理完全不同，波浪蒸汽層結構這種動態潤濕表面可延緩沸騰危機的發生，因此傾角較大時的CHF相對更高。

圖4 θ=5°、q=945kW/m2時汽膜厚度和汽膜脫離速度隨時間的變化Fig.4 Vapor film thickness and departure velocity with q=945 kW/m2 and θ=5°

圖5 汽泡脫離周期隨熱流密度和傾角的變化Fig.5 Bubble departure period vs heat flux and angle

圖6 平均汽膜厚度隨熱流密度的變化Fig.6 Average vapor film thickness vs heat flux

圖6統計了平均汽膜厚度隨熱流密度和傾角的變化，可看出各傾角下的平均汽膜厚度隨熱流密度而增大，但傾角的變化對其影響沒有明顯的規律，主要原因是數字圖像處理方法只統計了汽泡側面的信息，而未統計汽泡正面的信息，如圖7所示，聚合的大汽泡不僅沿垂直于加熱面的法向方向生長，而且沿平行于加熱面的四周生長，所以汽膜的平均厚度統計不能完全等同于整體汽膜厚度，但可反映出汽膜厚度的變化規律。從圖6可看出，在各傾角下，熱流密度增大到一定值后，平均汽膜厚度會明顯降低，這是因為此時發生了沸騰危機，核態沸騰轉變為膜態沸騰，平均汽膜厚度迅速減小。核態沸騰時，汽泡周期性地長大、聚合和脫離，汽膜厚度周期性地變化；而發生沸騰危機后，加熱表面覆蓋1層穩定的汽膜(≤10 mm)，汽膜厚度小幅波動。因此，通過監視汽膜厚度的變化也可判別沸騰危機的到來。

圖7 傾角θ=60°時汽泡正面照片Fig.7 Front view of bubble at θ=60°

3 結論

1) 基于Matlab軟件開發了專門針對加熱平板表面朝下的可識別氣液兩相流的程序，通過該程序可獲得氣液界面變化、汽膜厚度、汽泡脫離周期、汽泡脫離速度等特征參數。

2) 加熱溝槽結構表面朝下的汽膜脫離周期隨熱流密度的增大而減小，當熱流密度大于400 kW/m2時，脫離周期趨于穩定值；汽膜脫離周期隨傾角的增大而減小，當傾角從5°增大至90°時，汽膜脫離周期由0.27 s減小至0.13 s。定量分析結果佐證了蒸汽膜結構和波浪蒸汽層結構的沸騰換熱機理的假設。

3) 加熱表面朝下核態沸騰時汽膜厚度隨熱流密度的增大而增大，當發生沸騰危機后，汽膜厚度迅速減小，在換熱表面形成一層穩定的汽膜，通過動態監測汽膜厚度的變化可判斷加熱表面的沸騰狀態。