在核動力裝置設備中經(jīng)常會發(fā)生兩相流動現(xiàn)象,對于核電廠設備而言兩相流中氣相的主要存在形式為汽泡;另一方面,核反應堆堆芯中燃料包殼溫度過高會發(fā)生沸騰換熱現(xiàn)象,而泡核沸騰換熱的傳熱量比單相液體時更大就是因為汽泡的存在,增強了冷熱流體之間的對流換熱。因此,為了揭示沸騰換熱機理以及保證核反應堆的安全運行,對于沸騰工況下汽泡的生長特性進行研究是十分必要的。本文主要對大容積池沸騰工況下的汽泡行為進行實驗研究,根據(jù)實驗所得的汽泡基本參數(shù)分析外部邊界條件對汽泡生長規(guī)律產(chǎn)生的影響,并對汽泡脫離壁面核化點時的尺寸進行了統(tǒng)計分析。搭建了沸騰工況下汽泡可視化研究實驗平臺,用于模擬池沸騰現(xiàn)象的實驗水箱的尺寸為250×150×300 mm,實驗時的液體工質(zhì)采用去離子水,實驗過程中始終讓水箱中的水保持一定的過冷度,使實驗條件為過冷沸騰工況,汽泡由水箱底部的導電加熱裝置產(chǎn)生,高速攝影儀置于水箱正面用于拍攝記錄汽泡的生長運動行為,通過圖像處理軟件對汽泡圖像數(shù)據(jù)進行處理,能夠得到研究需要的汽泡基本參數(shù)。概括介紹了泡核沸騰的幾種假設模型,給出了適用于本文實驗研究工況的汽泡的脫離直徑預測的力平衡模型。對比其他學者實驗結(jié)果對本文研究的實驗臺的可行性進行了驗證。并對實驗研究中得到的汽泡脫離直徑數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)相同工況下同一核化點生成的汽泡的脫離尺寸并非固定值而是在一定范圍內(nèi)波動,這種波動會隨著壁面熱流密度的增加而減小,多數(shù)汽泡的脫離直徑介于0.2~0.3mm之間。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)研究壁面熱流密度對汽泡生長規(guī)律的影響。研究表明,隨著壁面熱流密度的增加,汽泡的生長速率加快,生長周期縮短,相同工況下同一核化點處生成的汽泡穩(wěn)定性更好,核態(tài)沸騰狀態(tài)更加穩(wěn)定。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)研究液體過冷度對汽泡生成現(xiàn)象的影響。研究發(fā)現(xiàn),液體過冷度的增加會導致相同工況下同一核化點生成的汽泡的尺寸的隨機性增加。在實驗過程中還觀察到了汽泡的冷凝和聚合現(xiàn)象,通過研究發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)這兩種現(xiàn)象分別與液體過冷度和壁面熱流密度有關。此外,在研究過程中還發(fā)現(xiàn)汽泡所能達到的最大直徑主要受汽泡的初始生長速率影響;汽泡的尺寸越大,其做浮升運動時豎直方向的速率越快等。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM623
【部分圖文】：

的新氣泡產(chǎn)生一定的影響，他們將氣泡的生成過制、雙周期成對區(qū)制（指前一個氣泡和后面一個、雙周期合并區(qū)制（指前一個氣泡在新生成的氣泡、三周期區(qū)制和混沌區(qū)制等。者們對水下小孔氣泡生成模型的研究，除了模型現(xiàn)象相關的實驗和理論研究。因為氣泡生成過程不同學者把氣泡從水下小孔生成到氣泡脫離小孔[8]利用圖 1 所示實驗裝置研究了孔徑為 0.054mm，他們通過所得實驗結(jié)果根據(jù)氣泡形態(tài)的變化將的整個過程分為四個階段，分別是：生長階段、建宇[9]研究了孔徑大于 1mm 的水下小孔氣泡生成分析過界面平衡和氣泡受力平衡條件后他認為氣段和脫離階段等三個階段。

(a) (b)圖 1.2 實驗結(jié)果與汽泡脫離直徑模型預測值比較圖[34-35]Van Stralen et al.[37]建立了一個適用于純流體的汽泡的等待周期和生長周期之間的關系式，即其等待周期約等于三倍的生長周期。汽泡的生長速度也是汽泡動力學的一個主要參數(shù)，它的定義為汽泡的尺寸改變與時間的比值，它還與 Staniszewski[33]和 Cole & Shulman[38]給出的氣泡脫離直徑有關。汽泡生長速度也和雅各布數(shù)、熱耗散率的二分之一次方以及時間的二分之一次方存在潛在聯(lián)系[39-41]。Mikic & Rohsenow[42], Van Stralen & Sluyter[43]和 Copper[44]分別提出了跟汽泡的等待周期、生長周期和普朗特數(shù)有關的汽泡生長模型。Mikic[45]等在認為加熱表面上生成的汽泡是球形的情況下，提出了單一液體工質(zhì)中汽泡生長速度預測的關系式，并且他們還假設了蒸汽壓力與溫度之間滿足Clausius-Clapeyron 方程的線性解析關系，蒸汽的密度保持恒定等。接下來，Zhao[46]等在認為加熱壁面上生成的汽泡為半球形的情況下，通過解微液

率預測關系式。之后，陸續(xù)有學者研究了單氣泡、聚合氣泡、高熱流密度飽和池沸騰情況下產(chǎn)生的氣泡以及混合流體工質(zhì)池沸騰產(chǎn)生的汽泡的脫離頻率，研究結(jié)果表明：隨著熱流密度加大汽泡的脫離頻率和脫離直徑都會增加。但是目前所建立的理論模型還不能夠準確的預測汽泡的脫離頻率。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，避免的熱流密度、壁面過熱度及液體工質(zhì)的過冷度都會對沸騰工況下的氣泡生成現(xiàn)象產(chǎn)生影響，所以在實驗過程中還應該對這些因素進行研究。研究學者[57-59]發(fā)現(xiàn)：隨著壁面熱流密度的增加，汽泡的脫離頻率、運動速度、汽化核心密度會增加，而汽泡的脫離直徑、等待周期、生長周期會減少。Siedel[60]等通過研究發(fā)現(xiàn)：在低壁面熱流密度工況下，光滑和粗糙表面的汽泡脫離直徑無明顯差別；然而，在高壁面熱流密度工況下，光滑表面的汽泡脫離直徑相對較大。還有一些科研人員[57, 61, 62]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著壁面過熱度增加，汽泡的脫離直徑、脫離頻率、等待周期和汽化核心密度會增加，而汽泡的生長周期會減小。另外有研究人員[63]發(fā)現(xiàn)增加過冷度會使汽泡生長周期增加，汽泡的脫離直徑和脫離頻率減小。
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本文編號：2865367