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。      

起伏运动对矩形窄缝通道内汽泡直径分布的影响

为进一步探明起伏条件下过冷沸腾两相流相分布特性,采用高速摄像技术和数字成像分析技术,对静止和起伏条件下窄缝通道内汽泡进行可视化实验研究.实验结果表明:随着起伏频率增加,各相位间流道内汽泡直径变化增大.在相同的起伏条件下,增加质量流速将减小各相位间汽泡直径波动幅度.文中给出汽泡平均直径随起伏运动波动幅值的预测关系式,预测结果平均相对偏差为±19.1％.     

竖直矩形窄缝通道内单个蒸汽泡和空气泡尾流特性的对比

采用粒子图像测速仪(PIV)对绝热条件下单个蒸汽泡在矩形窄缝通道内去离子水中上升的尾流特性进行研究,分析了入口平均流速和汽泡直径对蒸汽泡最终上升速度、尾流结构以及尾流速度场的影响,并与单个空气泡进行对比。实验结果表明,绝热条件下蒸汽泡的最终上升速度与汽泡直径的对应关系和空气泡存在差异,蒸汽泡尺寸和入口平均流速对蒸汽泡尾流的影响以及尾流中最大纵向速度发生的位置与空气泡相似,无显著差异。     

窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内垂直上升流过冷流动沸腾区域汽泡脱离频率进行可视化实验研究。结果表明,汽泡脱离频率随质量流速的增大而减小,随入口过冷度的增大而减小,随热流密度的增大而增大。将实验数据与文献中汽泡脱离频率计算模型进行比较,发现基于池式沸腾和饱和流动沸腾开发的计算模型不能准确预测过冷沸腾区域汽泡脱离频率。本文以无量纲参数的形式,分别用液相雷诺数、过冷雅各布数和核态沸腾热流密度表示质量流速、主流过冷度和热流密度对汽泡脱离频率的影响,获得矩形窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率预测关系式,关系式的平均预测误差为±17.1%。     

摇摆对窄缝通道内高压两相摩擦阻力影响的研究

对矩形窄缝通道内高压两相摩擦阻力特性开展实验研究,分析摇摆运动对矩形窄缝内两相摩擦阻力的影响。结果表明:摇摆运动条件下,两相摩擦阻力会随着摇摆运动而呈现近似正弦的波动,两相摩擦阻力波动时均值与静止条件下的相等;摇摆运动引起的摩擦阻力相对变化量随着全液相雷诺数、含汽率、摇摆周期的增大而减小,随着摇摆幅值的增大而增大;摩擦阻力相对变化量与最大摇摆角加速度没有明显单调关系。提出用于计算摩擦阻力相对变化量的经验关系式。     

摇摆对窄缝通道内高压两相摩擦阻力影响的研究

对矩形窄缝通道内高压两相摩擦阻力特性开展实验研究,分析摇摆运动对矩形窄缝内两相摩擦阻力的影响。结果表明:摇摆运动条件下,两相摩擦阻力会随着摇摆运动而呈现近似正弦的波动,两相摩擦阻力波动时均值与静止条件下的相等;摇摆运动引起的摩擦阻力相对变化量随着全液相雷诺数、含汽率、摇摆周期的增大而减小,随着摇摆幅值的增大而增大;摩擦阻力相对变化量与最大摇摆角加速度没有明显单调关系。提出用于计算摩擦阻力相对变化量的经验关系式。     

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明，汽泡在核化点生长时，汽泡底部与加热面存在一小的接触面，总体而言，汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下，不同核化点处汽泡生长规律基本相同，但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小，脱离时间较长，可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内，统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随入口欠热度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随主流速度的增加，汽泡平均脱离直径减小。     

升沉条件下矩形窄缝通道单相等温流动摩擦阻力特性研究

采用实验和理论分析相结合的方法研究升沉条件下矩形窄缝通道以水为介质的单相等温流动摩擦阻力特性.结果表明,矩形窄缝通道的几何效应体现在层流区；影响升沉条件下矩形窄缝通道摩擦阻力特性的因素是通道入口和出口边界条件；当入口和出口均给定速度边界时,升沉运动对等温流动没有影响,在静止状态获得的摩擦系数计算公式在升沉条件下仍然适用...     

摇摆运动对窄通道内汽液界面参数的影响

对摇摆运动下矩形窄通道内的过冷沸腾流动进行实验研究,通过数字图像处理技术计算出空泡份额和界面面积浓度等界面参数的变化规律,并分析影响界面参数波动的主要因素。实验结果表明,矩形窄通道内汽液界面参数受摇摆运动影响产生周期性波动,且波动周期与摇摆运动周期相同。摇摆运动下空泡份额和界面面积浓度的波动主要受汽泡等效直径变化的影响。     

环形窄缝通道单相流动特性研究

对环形窄缝通道内单相流动特性进行了分析，提出了理论模型预测环形窄缝通道内单相流动阻力特性。根据该模型，对窄缝宽度分别为1.0、1.5、2.0mm环形通道内单相湍流流动摩擦阻力系数进行了理论计算，并与实验结果进行了比较。理论预测值与实验结果符合较好，且窄缝间隙大小对环形窄缝通道内流动特性有着重要影响，随着间隙的减小，摩擦阻力系数相应减小。间隙对流动阻力系数的影响还依赖于Re大小，其影响随Re的减小而降低。     

过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响

为研究过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响,利用高速摄像机记录不同过冷度下过冷池中蒸汽气泡凝结过程。实验结果表明:在低过冷度(ΔTsub=17K)下,蒸汽气泡界面波动发展缓慢,气泡不会破碎,而是逐渐分裂凝结;在高过冷度(40KΔTsub75K)下,蒸汽气泡表面上的波动剧烈发展,随后气泡会突然破碎,并形成大量微气泡;在ΔTsub=30K时,气泡突然破碎前会有小气泡分裂现象发生。40KΔTsub75K时气泡破碎形成的微气泡的直径和速度在量级上与气泡微细化沸腾区域的微气泡接近。随过冷度的升高,微气泡的直径减小,速度增加,且蒸汽气泡破碎前其表面上波动的波数迅速增加,波动的最大幅值先增加后减少。     

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。     

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.     

窄矩形通道内过冷流动沸腾汽泡生长模型研究

采用高速摄影的方式,对不同系统压力条件下窄矩形通道内汽泡生长过程进行了可视化实验研究,分析了回路系统压力、主流过冷度、壁面过热度、主流速度等热工参数对汽泡生长的影响,并在Zuber公式的基础上建立了可满足不同实验工况的汽泡生长模型。结果表明： Ja 、Bo、Re和无量纲温度θ可较为全面地描述热工参数和流动参数对汽泡生长的影响,在其他条件相同的情况下,汽泡生长指数拟合曲线的K和n值随压力的升高明显减小;θ越大,汽泡的生长时间和所能达到的最大直径越小;在给定的参数范围内模型结果与实验结果符合较好,但由于低压条件下汽泡直径变化的随机性更强,所以模型结果与个别低压实验数据的相对误差较大。     

Characteristics of two-phase condensing flow by visualization using computed image processing

The mechanics of the condensing behavior of vapor bubbles in a subcooled bulk flow is complicated and influenced by both heat and mass transfer. To examine the characteristics of such thermal-nonequilibrium two-phase flow, experimental and analytical researches have been made. In the experiment, the movement of each vapor bubble in a flowing channel was recorded on video tapes and analyzed by an image processing system. As result, the distributions of void fraction along the test section were obtained. In the analysis, a simple analytical model was introduced to predict the distributions of void fraction and liquid subcooling temperature. By considering the rate of vapor condensation along the flow direction, the differential equation of energy balance between two phases was obtained. Integration of this equation yielded the void fraction and bulk liquid subcooling at any position. The condensation rate was estimated as a function of the local liquid subcooling, interfacial area and mass velocity. Finally, a close fit between calculated results and experimental data was obtained.     

矩形窄缝通道内滑移汽泡直径沿轴向分布特性实验研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内过冷流动沸腾滑移汽泡直径沿轴向分布特性进行可视化实验研究。实验捕获滑移汽泡沿加热面滑移并聚合的过程图像,并获得沿加热面轴向300、400、500 mm处滑移汽泡直径概率分布图。实验研究表明,窄缝通道中滑移汽泡直径沿轴向分布呈增大趋势;滑移汽泡沿加热面生长、滑移汽泡与未完成生长脱离的小汽泡的聚合,以及滑移汽泡间的聚合是滑移汽泡直径沿加热面轴向增大的重要原因。     

窄通道内不凝结气体对过冷沸腾汽泡行为的影响

针对窄通道内不凝结气体对过冷沸腾汽泡行为的影响进行了实验研究,通过高速摄影仪记录了矩形窄通道内含和不含不凝结气体的汽泡行为并进行了分析。分析结果表明：在过冷沸腾条件下不凝结气体对汽泡行为产生了较大的影响,延缓了汽泡的生长和冷凝,使汽泡的直径变化呈震荡特性;从蒸汽的产生和冷凝角度分析,不凝结气体的存在有利于汽泡的生存,促进了汽泡之间的聚合过程,在一定程度上有利于换热。     

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。