豎直矩形窄通道內流動沸騰研究進展*

金 程 陶樂仁 黃理浩 趙謝飛 居一偉

(1.上海理工大學,上海;2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室,上海)

0 引言

矩形窄通道是一種狹長的矩形通道,其流道長度、寬度與窄縫間隙之比較大;該結構具有比表面積大、相應設備結構緊湊的特點,且通道內兩相沸騰換熱具有較高的換熱效率,所以在動力、化工、核能、微電子等領域得到了廣泛的應用[1-2]。由于不同的幾何形狀對通道內產(chǎn)生氣泡形狀的限制,因此矩形窄通道中的兩相流動和傳熱特性與常規(guī)通道有很大不同[3]。矩形窄通道能夠消除或減輕兩相流的不穩(wěn)定性,抗活塞能力強于一般圓管,其流動沸騰傳熱系數(shù)能比一般的光管提高60%～90%[4]。近年來,國內外研究者們對以蒸汽-水為工質在豎直矩形窄通道內的流動沸騰及其傳熱機理等進行了一系列的實驗和理論研究,研究涉及豎直矩形窄通道在不同背景及工況參數(shù)下的應用,本文對這些研究情況進行介紹及評述。

1 傳熱實驗研究

矩形窄通道內流體沸騰及換熱的影響因素有很多,如通道尺寸、材料表面粗糙度、工質物性參數(shù)及系統(tǒng)工況參數(shù)等。通過改變實驗段尺寸與相關工況參數(shù)以模擬實際應用場景,尋找各參數(shù)對窄通道內流體流動與傳熱的影響規(guī)律。

在實驗研究中改變加熱熱流密度、通道進口溫度(過冷度)、質量流速等參數(shù),對換熱系數(shù)、溫度場等進行分析。單面電加熱是矩形窄通道研究實驗中最常見的加熱方式,便于模擬均勻的熱流密度。鄭志皋等人研究了蒸汽干度、熱流密度及入口過冷度對矩形窄通道換熱的影響[5-6]。黃理浩等人在低壓條件下,改變入口過冷度、質量流速及加熱功率進行實驗,結果表明這些參數(shù)對飽和沸騰起始點和過冷段長度有重要影響[7],并分析了熱流密度增大后轉變?yōu)椴煌餍蜁r的主導換熱機理[8]。劉效德等人改變加熱熱流密度與工質流動參數(shù),分析了在對流沸騰與核沸騰階段,質量流速、入口溫度與干度對換熱系數(shù)的影響規(guī)律[9]。嚴天宇等人通過實驗分析了質量流速、熱流密度、進口溫度對換熱系數(shù)的影響,獲得了通道內工質由單向流到過冷沸騰時的傳熱過程曲線[10]。

采用蒸汽加熱(熱流密度不恒定)或多面加熱的方式可以模擬更為真實的加熱環(huán)境。劉萌芳等人建立了單側蒸汽加熱豎直矩形窄通道可視化實驗系統(tǒng),研究了板式換熱器內(蒸發(fā)-冷凝器)兩相換熱機理及流型特征[11]。張杰等人針對反應堆工況與技術參數(shù)搭建了熱工水力兩相流實驗回路,用來研究分析矩形窄冷卻劑通道的穩(wěn)定傳熱特性,該實驗裝置將流動方向設置為豎直向下并采用雙面加熱,更好地模擬了某燃料組件的冷卻劑通道[12]。郭新田在實驗中使用三面加熱,模擬了工程上水冷散熱器經(jīng)常出現(xiàn)的三面加熱組合型封閉截面加熱通道,對矩形窄通道的沸騰傳熱特性進行了研究[13]。

與上述研究只針對固定尺寸通道不同,趙楠等人在不同窄縫寬度(3、4 mm)下進行了實驗研究,結果表明窄縫寬度對通道內流動換熱特性影響明顯,較小窄縫寬度通道內過冷沸騰段的傳熱系數(shù)更大,沸騰起始點對應的熱通量更小,進出口壓降的波動更小[14]。

通過實驗模擬實際應用環(huán)境,并改變幾何與工況參數(shù)可以得到實驗段窄縫寬度、進口溫度、質量流速和熱流密度等參數(shù)對傳熱的影響規(guī)律,但是沒有從機理上進行解釋,這需要進一步的研究。

2 氣泡及流型研究

2.1 氣泡的成核與移動

氣泡的成核與動力演變規(guī)律是氣泡動力學的重要組成部分之一,從微觀角度分析,這也是核態(tài)沸騰換熱的基礎。隨著氣泡的成核、成長與脫離,通道內會出現(xiàn)不同的流型,所以對氣泡成核與移動的研究是對通道內流型及其轉換研究的基礎。

通過實驗能夠研究工況參數(shù)對氣泡成核的影響。Chen等人在100、300 kPa的系統(tǒng)壓力下,對豎直矩形窄通道內的氣泡生長進行了可視化實驗研究,結果表明質量流量、熱流密度、系統(tǒng)壓力及成核點密度對氣泡的生長和尺寸有顯著影響[15]。郭昂等人對常壓下豎直窄縫通道過冷流動沸騰進行了實驗研究,通過可視化實驗發(fā)現(xiàn)汽化核心密度只與壁面過熱度有關,氣泡脫離直徑與壁面過熱度、流體過冷度及質量流量有關[16]。

借助高速攝影儀,矩形窄通道內氣泡的成核、成長和脫離能被準確地記錄。徐建軍等人采用高速攝影儀從寬面和窄面可視化觀察了常壓條件下矩形窄縫通道內氣泡核化生長和脫離規(guī)律[17]、滑移氣泡的運動特征[18]和滑移氣泡間的聚合特性[19]。張利琴等人使用粒子圖像測速儀測量了流場的速度分布,對單個空氣泡與蒸汽泡在矩形窄縫通道內上升的尾流特性進行了研究[20-21]。Ren等人對矩形窄通道內過冷沸騰時滑動氣泡聚集進行了觀察,結果表明,氣泡聚集過程由4步組成:接近、合并、調整和穩(wěn)定,其中最重要的過程是氣泡的合并和調整[22]。Zhang等人通過可視化流動沸騰實驗,研究了矩形窄通道內氣泡聚結現(xiàn)象及氣泡滑動對聚結的影響,詳細分析了氣泡的聚并現(xiàn)象、聚并后氣泡的速度和界面演化特征[23]。

此外,還能夠利用計算機圖像識別處理技術對氣泡進行處理。宋明亮等人將圖像自動識別方法運用于矩形窄縫通道內常溫常壓靜態(tài)流體中的氣泡運動特性可視化實驗中,通過實驗數(shù)據(jù)定量分析了氣泡運動速度與氣泡當量直徑間的關系,并對現(xiàn)有關于氣泡運動速度的預測關系式進行了定量評價[24]。Fu等人提出了一種用于矩形窄通道內測量氣泡流含氣率的魯棒圖像處理算法,該算法結合高速攝像機記錄的幾何、光學和拓撲信息,對重疊氣泡進行分離和重構,結果表明,該算法能準確測量含氣率高達18%的大氣泡泡狀流[25]。

2.2 流型及其轉換

圖1 不同參數(shù)坐標的流型區(qū)域圖[26-27]

這樣的流型劃分方式被應用于后續(xù)的研究中,如表1所示。其中以氣相和液相表觀速度為坐標的流型區(qū)域圖最為常用,但是也有其局限性,表觀速度無法反映表面張力、水力直徑等對流型的影響。

表1 研究中觀測到的流型及繪制的流型圖

流型的轉換會影響窄通道的熱工水力特性,所以在識別流型的基礎上,對流型轉換的判別尤為重要。Hibiki等人[32]在Mishima等人[33]給出的豎直圓管內空氣-水的流型轉變規(guī)則基礎上,引入了矩形窄通道的幾何參數(shù)影響,從而發(fā)展得到了矩形窄通道內兩相流適用的流型轉換準則。但現(xiàn)有的研究大多是在絕熱條件下以空氣-水作為工質[34-36],在加熱條件下以蒸汽-水作為工質的研究比較少。以空氣-水作為工質的研究未考慮傳熱的影響,由于流動沸騰和絕熱兩相流動在傳熱傳質上的差別,其流型轉換判別準則與適用范圍也有所不同。

3 傳熱機理研究

3.1 傳熱預測模型研究

矩形窄通道的換熱預測關聯(lián)式一般都是由常規(guī)通道及微通道的換熱預測關聯(lián)式發(fā)展而來的。由研究可知,豎直矩形窄通道內的流動沸騰換熱機理主要有核態(tài)沸騰、流動液膜蒸發(fā)和兩者共同作用這3種機理。研究中的傳熱預測關聯(lián)式大多為傳熱疊加模型[37-39]與量綱一預測模型[40-44]兩類。傳熱疊加模型的主要形式為

htp=Ehsp+Shnb

(1)

式中htp為兩相沸騰換熱系數(shù),W/(m2·K);E為對流換熱增強因子;hsp為對流換熱系數(shù),W/(m2·K);S為核態(tài)沸騰抑制因子;hnb為核態(tài)沸騰換熱系數(shù),W/(m2·K)。

量綱一預測模型側重于核態(tài)沸騰對換熱系數(shù)影響的修正,利用特征數(shù)的組合對換熱系數(shù)進行預測,常用的特征數(shù)有沸騰數(shù)(Bo)、雷諾數(shù)(Re)、韋伯數(shù)(We)等。這些修正模型都有其適用的工況范圍,往往能準確預測自身工況條件,但是對于其他工況的預測效果都不同程度地存在一些問題。

3.2 對ONB、OSV與OFI的研究

核態(tài)沸騰起始點(onset of nucleate boiling,ONB)、有效空泡起始點(onset of significant void,OSV)及流動不穩(wěn)定起始點(onset of flow instability,OFI)是研究矩形窄通道內傳熱機理的重要特征參數(shù)。單面加熱矩形窄通道內單相流向兩相流的過渡過程如圖2所示。

注:Tsat、Twall、Tliq分別為飽和溫度、壁面溫度和流體溫度。圖2 單面加熱矩形窄通道內單相流向兩相流的過渡過程[45]

ONB是過冷流動沸騰中氣泡形成的初始位置,是單相流和兩相流之間的臨界點。鄭志皋等人發(fā)現(xiàn)熱流密度、質量流量及入口溫度是影響沸騰起始點的主要因素;以飽和沸騰起始點為界限,通道內的換熱特性截然不同[46]。黃理浩等人通過實驗發(fā)現(xiàn)入口溫度在高加熱功率密度時對飽和沸騰起始點的影響相對較小,在低加熱功率密度下影響較大[47]。Kim等人研究了在橫向非均勻和均勻加熱條件下矩形窄通道內的核態(tài)沸騰起始點,但在2種加熱條件下,ONB處的局部熱流密度和壁溫是相似的[48]。程寧等人的研究表明在不同窄縫寬度(1.8、2.8 mm)的矩形窄通道中,進口溫度和質量流速對ONB的氣泡成長及壁面過熱度的影響一致,而流道高度對其沒有明顯影響[49]。

OSV是氣泡開始掙脫壁面的位置;OFI是隨著含氣率的進一步增加傳質和傳熱條件變得不穩(wěn)定的位置[50]。Ghione等人用166組實驗數(shù)據(jù)對豎直矩形窄通道中流動不穩(wěn)定起始點的預測關聯(lián)式進行了評估并取得了很好的效果[51]。Lee等人研究了在兩側加熱的矩形窄通道內兩相流動的不穩(wěn)定性,特別是向下流動的不穩(wěn)定性,通過實驗確定了穩(wěn)定流動持續(xù)的最小質量流量條件[52]。Zhang等人的研究表明,降低入口溫度、降低加熱功率或提高壓力能降低雙面加熱矩形窄通道系統(tǒng)的不穩(wěn)定性[53]。

將ONB、OSV與OFI一起進行系統(tǒng)研究更有利于揭示窄通道內不同區(qū)域的換熱機理。Wang等人在寬度為40 mm、間隙為3 mm的單側加熱矩形窄通道中,對ONB、OSV、OFI和兩相流流型進行了可視化和測量[54]。Al-Yahia等人采用恒質量流量法和恒熱流法2種實驗方法來實現(xiàn)和識別ONB、OSV和OFI[45]。李祥東等人根據(jù)傳熱機理的不同將低溫液體過冷流動沸騰通道劃分為3個區(qū),建立了各區(qū)內沸騰傳熱的機理模型及各區(qū)邊界的判斷標準,并將新建立的理論模型納入雙流體模型,實現(xiàn)了數(shù)值求解,根據(jù)數(shù)值計算結果可以很方便地判斷ONB及OSV的位置[55]。Rabhi等人基于計算流體力學(CFD)模擬,提出了一種新的考慮對流沸騰起始點的模型,預測的標準差為2.7%[56]。上述研究中建立的模型有助于從機理上實現(xiàn)ONB、OSV和OFI的準確預測。

3.3 對CHF的研究

豎直矩形窄通道內氣泡的聚集容易形成蒸汽芯,此時流型主要為環(huán)狀流。環(huán)狀流的液膜厚度會隨著液膜蒸發(fā)、液滴沉積及夾帶的綜合作用而減小。當液膜厚度減小到一定值時,由于傳熱系數(shù)的減小,表面溫度會突然升高,進而發(fā)生沸騰危機。臨界熱流密度(critical heat flux,CHF)就是在沸騰傳熱機理正好發(fā)生變化而使傳熱系數(shù)急劇下降,即傳熱突然惡化狀態(tài)下的熱流密度[57-59]。CHF是有效利用核沸騰進行熱量傳遞的上限,是設備安全運行的關鍵設計限值,所以預測CHF對預防換熱通道內的傳熱惡化十分重要。研究者們根據(jù)實驗數(shù)據(jù),建立模型并提出了不同的CHF預測關聯(lián)式[60-65]。

Oh等人修正了豎直圓管CHF預測關聯(lián)式中的空隙分布參數(shù),得到了新的豎直矩形窄通道的CHF預測關聯(lián)式,并針對向上、向下流向的不同實驗數(shù)據(jù),使用最小二乘法擬合得到了不同的預測關聯(lián)式[60]。Kureta等人在矩形窄通道和小直徑管道的CHF預測關聯(lián)式中考慮了臨界干度、量綱一CHF參數(shù)和加熱周長比[61]。Wright等人充分考慮了流體與加熱面的共軛傳熱效應,通過對預測關聯(lián)式的三次更新迭代很大程度上提高了預測準確性[62]。Kim等人在預測關聯(lián)式中引入了矩形窄通道中窄縫寬度、質量流量和過冷度,并根據(jù)質量流量的高中低給出了相對應的預測關聯(lián)式[63]。Song等人研究了豎直方向上的蒸汽聚集生長,建立了矩形窄通道中水過冷流動沸騰條件下CHF的預測模型[64]。Yan等人基于氣泡動力學,結合通道幾何形狀和熱力參數(shù)提出了CHF的預測關聯(lián)式[65]。上述文獻中的預測關聯(lián)式側重點各有不同,預測精度也各不相同。目前還沒有一個使用范圍廣泛的臨界熱流密度預測模型,需要利用更多不同工況下、不同尺寸通道內的實驗數(shù)據(jù),研究各參數(shù)對臨界熱流密度的影響。

4 結束語

本文分別從傳熱實驗研究、氣泡及流型研究和傳熱機理研究3個方面綜述了豎直矩形窄通道內流動沸騰的實驗與理論研究現(xiàn)狀。從上述研究中可以得到以下結論:

1) 現(xiàn)有實驗研究大多只能得到工況參數(shù)和窄通道幾何參數(shù)對傳熱的影響,矩形窄通道內流動沸騰的換熱機理并沒有形成統(tǒng)一的認識,需要深入分析各項參數(shù)(流量、熱流密度、干度等)以明確核態(tài)沸騰與流動液膜蒸發(fā)這2種機理在不同通道區(qū)域的相互作用及主導地位。

2) 窄通道內氣泡易受擠壓而聚集為彈狀流,在高熱流密度下會繼而發(fā)展為環(huán)狀流甚至干涸。隨著窄縫寬度的減小,表面張力對流型的影響越發(fā)顯著;現(xiàn)有的流型轉換準則大都是基于絕熱條件下以空氣-水為工質的,沒有考慮流動沸騰傳熱傳質與絕熱2種流動的差別。需要進一步研究不同加熱條件下豎直矩形窄通道內以蒸汽-水為工質的流型和流型轉變準則。

3) 目前為止,矩形窄通道內流動沸騰的換熱機理并沒有形成統(tǒng)一的認識。需要在明確矩形窄通道不同區(qū)域內流動沸騰機理的基礎上,進一步收集更多的實驗數(shù)據(jù),研究不同參數(shù)對換熱系數(shù)、ONB、OSV、OFI及CHF的影響,實現(xiàn)廣泛而準確的預測。