含不凝性气体的蒸汽气泡凝结过程研究

利用高速摄像仪对高过冷度下含不凝性气体的蒸汽气泡冷凝及破裂过程进行可视化研究,以分析不凝性气体对气泡微细化沸腾(MEB)过程的影响。实验结果表明:初始不凝性气体体积份额x0小于2.5%时,气泡突然破碎成大量微小气泡;x0在2.5%~7.5%之间时,较大气泡只会分裂成数个小气泡;x0大于7.5%时,气泡界面非常稳定,不会发生破碎和分裂现象。此外,当蒸汽气泡中含有较多不凝性气体时,气泡凝结过程减弱,液体对气泡的惯性冲击减小,气泡不易破裂。由此可表明,在气泡微细化沸腾发生时,不凝性气体的存在会阻碍加热面上气泡的破碎,从而降低传热能力。     

过冷水中单个蒸汽气泡凝结动力学过程研究

对高过冷度条件下单个蒸汽气泡的凝结过程进行了可视化研究，并与现有的计算模型进行了对比。实验结果表明：高过冷度条件下，运动速度较高的气泡脱离后，其底部产生的液体射流现象会加剧气泡的变形和凝结过程；而现有的计算关联式均无法较好地预测该条件下的气泡动力学行为，凝结末期的相对误差超过50%。此外，通过Sobol方法对气泡凝结模型进行了敏感性分析，并定量评估了不同实验范围内Reynolds数、Jacob数以及Prandtl数对气泡凝结的影响程度。     

下沉加热面上气泡微细化沸腾实验研究

为分析加热面相对位置对气泡微细化沸腾（MEB）的影响，对下沉加热面上的过冷沸腾进行了实验研究，并与齐平加热面实验结果进行了对比。25～50 K过冷度范围内，在下沉3 mm加热面上观察到了MEB现象。在50 K过冷度下，MEB时的热流密度可达5.55 MW/m²。可视化结果表明：在MEB区域，下沉加热面上形成的蒸汽气膜会频繁地膨胀收缩；随过冷度的升高，膨胀收缩的周期增加，而幅值变化较小。此外，相比于齐平加热面条件，下沉加热面周围的壁面可显著限制蒸汽气膜的横向膨胀。     

过冷水中单个蒸汽气泡凝结动力学过程研究

对高过冷度条件下单个蒸汽气泡的凝结过程进行了可视化研究,并与现有的计算模型进行了对比。实验结果表明:高过冷度条件下,运动速度较高的气泡脱离后,其底部产生的液体射流现象会加剧气泡的变形和凝结过程;而现有的计算关联式均无法较好地预测该条件下的气泡动力学行为,凝结末期的相对误差超过50%。此外,通过Sobol方法对气泡凝结模型进行了敏感性分析,并定量评估了不同实验范围内Reynolds数、Jacob数以及Prandtl数对气泡凝结的影响程度。     

气泡破裂及其诱发射流液滴释放过程的实验研究

本文基于实验方法,通过高速摄像的方法捕捉不同直径下的气泡破裂过程及射流液滴的释放过程,获得了气泡破裂后气泡空腔的演变过程,捕捉了射流液滴的速度,探究了气泡直径和气泡表面寿命对射流液滴释放过程的影响规律。实验结果表明,气泡表面寿命对气泡破裂产生射流液滴的过程有着重要影响。随气泡表面寿命的增加,破裂气泡产生的射流液滴的速度也随之增加。当气泡直径较小时,气泡表面寿命呈现Rayleigh分布的特征,射流液滴的释放概率也较高。随气泡直径的增加,气泡表面寿命逐渐转变为指数衰减分布的特征,射流液滴的释放概率也随之下降。基于现有实验数据给出了一个精度更高的射流液滴速度与气泡直径关系式。     

有限深度液体中气泡破碎的参数影响

在改进气泡破碎数理模型的基础上,研究了流体粘性力、气泡壁初始速度、有限液面高度、液面压力、液体密度等因素对气泡破碎的影响规律.数值计算结果表明,气泡临界破碎条件与这些因素密切相关.随着液体深度的增大,气泡更容易破碎,当液体深度大于气泡半径的100倍时,液体深度对气泡破碎临界条件几乎无影响,此时可以近似认为气泡位于无穷深液体中;当气泡壁初始速度为0m/s时,气泡不容易破碎;气泡具有初始收缩的速度时,气泡最容易破碎;随着气泡壁初始速度的绝对值、液体表面压强和液体密度的增大,气泡也更容易破碎.     

矩形窄缝通道内汽泡脱离直径可视化研究

以去离子水为介质,研究热流密度、入口过冷度和质量流速等热工参数对矩形通道内汽泡脱离直径的影响。主要参数如下:主流流体流动方向分别为竖直向上和纵倾45o,压力为0.16 MPa,质量流速G=300~700 kg/(m2.s),热流密度q=27.6~228.3 kW/m2,入口过冷度ΔTsub=20~40℃。研究发现,热流密度和入口过冷度对汽泡脱离直径的影响不明显;随着质量流速的增大,汽泡脱离直径明显减小。     

过冷度对窄缝通道内单蒸汽泡运动特性影响的实验研究

对窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡运动特性进行了实验研究，分析了过冷度对单蒸汽泡运动特性的影响。实验结果表明，过冷条件下，单蒸汽泡在上升过程中，其尺寸不断减小，形状也不断改变；单蒸汽泡界面存在冷凝现象，过冷度越大，直径减小越快，同一直径蒸汽泡的纵横比在一个范围内波动；过冷条件下，单蒸汽泡的z向速度和x向速度都随着直径的增大先增加后减小，均在直径约10 mm时具有最大值；单蒸汽泡z向速度则随着过冷度的增大而增大，而x向速度在零上下波动，随过冷度增大略有增大。过冷度会影响窄缝通道内单蒸汽泡的行为特性，并进一步影响流型形成与演变。      

用无网格粒子混合法模拟氟里昂气泡的冷凝行为

采用无网格粒子混合法(MPS-MAFL)模拟氟里昂气泡在过冷液池中的冷凝现象,对同一气泡在不同过冷度下的冷凝行为进行敏感性分析,对气泡中含有不凝气体的情况进行分析研究.模拟结果表明:气泡冷凝开始后,冷凝会使气泡内的压力降低,气-液界面开始收缩;在冷凝后期,气泡内压力会超过环境压力;气泡破碎时会产生一个压力脉冲;气泡在一...     

定位格架搅混翼附近气泡运动特性可视化实验研究

针对3×3棒束采用可视化实验技术研究棒束通道内气-液两相流动过程,获得了定位格架搅混翼附近的气泡行为特性。通过实验发现在搅混翼背流面存在气泡滞留的现象。在稳定工况下,滞留气泡的高度基本不变,滞留气泡相界面在流动、来流气泡合并过程中存在波动,并在液相的夹带下从滞留气泡末端分裂成多个小气泡。滞留气泡末端被液相夹带分裂是棒束通道中气泡尺寸变化的主要原因之一,并且分裂后的气泡尺寸小于来流气泡尺寸。在相同空泡份额条件下,随着液相流量的增加,滞留气泡高度增加,从滞留气泡上分裂的气泡尺寸相比来流气泡减小、数量增加;在相同液相流量条件下,随着空泡份额的增加,滞留气泡大小基本不变。来流气泡尺寸影响滞留气泡相界面的波动幅度,同时搅混翼背面存在滞留气泡时,气泡从搅混翼迎流面和背流面经过搅混翼时,在下游具有不同的运动特性,导致格架下游子通道间相态分布的差异性。     

微细化沸腾传热实验研究

气泡微细化沸腾是沸腾到达某个临界热负荷后,加热面温度升高不大,与该临界热负荷相比,热流密度大幅提高的沸腾现象。本文在设计完成一可视化实验装置的基础上,通过高速摄影仪观察并结合采集的壁温数据,对常压下直径为10 mm铜加热面上的池式气泡微细化沸腾现象进行了研究,并讨论了液体过冷度对其的影响。实验发现,气泡微细化沸腾状态下,加热面上生成1层极其不稳定的气膜,气液交界面上不停地有大量微小气泡生成并以极高速度射入过冷液体中。随加热面热流密度的增大,气膜厚度波动周期缩短,气膜最大厚度减小,所生成微小气泡的直径也明显减小。实验中获得的最高热流密度达9 MW/m²。     

窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡尾流特性实验研究

单蒸汽泡尾流特性是影响窄缝通道内蒸汽-水两相流流型形成与演变的关键因素，本文采用粒子图像测速仪PIV和Insight3G后处理软件，对窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡的尾流特性进行研究，获得窄缝通道内单蒸汽泡的尾流特性。实验结果表明，单蒸汽泡冷凝上升过程中，其尾流均为涡交替脱落的不对称尾流结构；汽泡直径越大，涡越细长，涡强度越大，大直径蒸汽泡的尾流对周围汽泡的作用更强；流道间隙减小，则尾流中涡强度降低，流体速度减小，尾流对周围汽泡的影响会相应减弱。单蒸汽泡尾流特性为构建窄缝通道内蒸汽-水两相流模型提供基础支持。      

Simultaneous measurement of void fraction and fundamental bubble parameters in subcooled flow boiling

Visualization was performed for the vapor bubbles in water subcooled flow boiling in a vertical heated tube to measure simultaneously the void fraction and the four fundamental bubble parameters: nucleation site density, bubble release frequency, bubble lifetime and bubble size. Using the mass flowrate and liquid subcooling as the experimental parameters, the changes of void fraction and bubble parameters with the wall heat flux were measured. The results of image analysis showed that the vapor void fraction could be approximated by the function of nucleation site density and bubble lift-off diameter; the bubble lift-off diameter was more influential than the nucleation site density. It was hence concluded that the bubble lift-off diameter could be regarded as the key parameter to determine the vapor void fraction under the present experimental conditions. The strong relation of bubble lift-off diameter to superheated liquid layer thickness was indicated for the future model development studies of bubble lift-off diameter.     

Vibration Characteristic of Heated Rod Induced by Subcooled Flow Boiling

A subcooled boiling loop with annular flow channel on an electrically heated rod at the channel axial center was used to make an experimental approach to investigate the vibration characteristic induced by subcooled flow boiling. The experiments were carried out to measure vibration induced in the rod under different conditions of incoming coolant subcooling temperature of 10–80 K, coolant flow rates of 0.1–0.35 × 10^?3 m³/s and imposed linear power densities of 17–600 W/cm. Distilled water was used as coolant in the loop. The vibration behavior of the rod was measured by using an accelerometer. Also, a high-speed motion analyzer system was used to analyze the bubble behaviors in the different subcooled boiling conditions.

The results show the intensive SBIV (subcooled boiling-induced vibration) which highly depends on dynamic force generated by rapid growth and collapse of vapor bubbles under high heat flux loading whilst they still attach to the heating surface. These behaviors were influenced strongly by the conditions of subcooling temperature, linear power density and flow rate.     

Modeling of low-pressure subcooled boiling flow of water via the homogeneous MUSIG approach

Applying a three-dimensional two-fluid model coupled with homogeneous multiple size group (MUSIG) approach, numerical simulations of upward subcooled boiling flow of water at low pressure were performed on the computational fluid dynamics (CFD) code CFX-10 with user defined FORTRAN program. A modified bubble departure diameter correlation based on the Unal's semi-mechanistic model and the empirical correlation of Tolubinski and Kostanchuk was developed. The water boiling flow experiments at low pressure in a vertical concentric annulus from reference were used to validate the models. Moreover, the influences of the non-drag force on the radial void fraction distribution were investigated, including lift force, turbulent dispersion force and wall lubrication force. Good quantitative agreement with the experimental data is obtained, including the local distribution of bubble diameter, void fraction, and axial liquid velocity. The results indicate that the local bubble diameter first increases and then decreases due to the effect of bubble breakup and coalescence, and has the maximum bubble diameter along the radial direction. Especially, the peak void fraction phenomenon in the vicinity of the heated wall is predicted at low pressure, which is developed from the wall repulsive force between vapor bubbles and heated wall. Nevertheless, there is a high discrepancy for the prediction of the local axial vapor velocity.     

窄矩形通道内汽泡聚合行为研究

采用实验方法对窄矩形通道内过冷沸腾时的汽泡聚合行为进行了可视化研究。矩形通道的尺寸为2 mm×40 mm×700 mm。实验参数为：实验段入口处绝对压力p_in=0.55 MPa,入口过冷度Δt_in=31 ℃,质量流速G=516 kg/(m²•s),平均速度v=0.52 m/s。采用高速摄影仪对实验流道进行拍摄,拍摄速度为5 000帧/s。将汽泡聚合过程分为4个阶段：靠近、融合、调整和稳定阶段。发现聚合后的汽泡运动速度会先增大再减小,最后趋于稳定。调整阶段汽泡形态不断变化,椭球形、圆形交替出现;伴随着形变,聚合汽泡的角度、长短轴长也会有相应的变化。最后发现在汽泡聚合过程中会诱导出一个新的小汽泡。     

加热面朝下的池沸腾汽泡动态行为研究

基于Matlab软件开发了自动识别气液两相流界面程序，程序可获得气液界面变化、汽膜厚度、汽膜脱离周期和汽膜法向速度等特征。利用该程序对沟槽结构加热表面朝下布置时，在不同倾角、不同热流密度下的汽泡动态数据进行了处理和分析。结果表明：加热表面朝下发生核态沸腾时，汽膜厚度随热流密度的增大而增大，汽泡脱离周期随热流密度的增大先减小，而后维持在一稳定值；汽膜脱离周期随倾角的增大而减小，倾角为5°时的汽膜脱离周期稳定在0.27 s左右。当发生沸腾危机时，汽膜厚度迅速减小，这可作为动态监测加热表面沸腾状态的依据。