文丘里式气泡发生器渐扩段内单气泡输运过程研究

文丘里式气泡发生器渐扩段的流场结构、流动参数等对气泡制备性能起关键作用,因此,对具有矩形截面的文丘里通道渐扩段区域单气泡输运过程进行了可视化研究。分析发现,渐扩段气泡剧烈减速及变形过程对气泡最终的断裂和破碎起关键作用。气泡的减速过程虽只持续数ms时间,依然呈现加速减速和降速减缓两个明显阶段;气泡旋转过程呈现相似的变化规律。在液体流量2.4～6.9 m~3/h范围内,对应最大旋转速度可达900～3 000 rad/s。气泡旋转过程持续时间较减速过程稍长,气泡最大旋转速度的位置出现在最大减速加速度位置的下游约2 mm处;液体流量和气泡尺寸对气泡旋转和变形过程有明显影响,液体流量越大或气泡尺寸越小,气泡旋转过程越剧烈,且旋转速度在更短距离内达到最大值;增大液体流量在一定范围内加剧了气泡的拉伸变形。这些可视化研究结果,为进一步揭示文丘里气泡发生装置内气泡的碎化机制、完善数值分析模型、优化设计等提供参考和帮助。     

文丘里式气泡发生器内气泡输运过程研究

利用可视化方法研究文丘里式气泡发生器内气泡的输运和破碎过程。实验以水和空气为工质,水流量范围为15～20 m³/h,气流量范围为0.6～0.7 L/min,空泡份额在0.2%～0.3%之间。结果表明：不同于常规通道,气泡在从文丘里管喉部流出后具有一个明显的减速过程,使得气液相对速度随之增加,该减速过程对气泡变形和破碎存在极大影响;水流量对气泡的破碎位置无明显影响,气泡破碎位置通常发生在渐扩段距喉部8～10 mm左右的范围,处于壁面涡流区与主流的交界附近。     

低含气率条件下文丘里管气泡发生器内气泡碎裂过程研究

借助影像处理软件PFV和图像处理软件Image-Pro Plus,详细分析了高速摄像仪获取的文丘里管气泡发生器内气泡的输运及破碎过程。研究表明:文丘里管气泡发生器内气泡的破碎过程存在2个明显的不同阶段;气泡在扩张段入口处存在明显的减速过程,且在减速过程中存在3种主要的形变过程;气泡的减速过程对气泡的碎化存在重要影响;气泡在扩张段的迅速减速,造成了气-液之间的运动速度差迅速加大,极大强化了气-液之间的相互作用,致使在扩张段较大直径的气泡迅速碎裂成大量的微小气泡。     

文丘里式气泡发生器气泡碎化特性研究

熔盐堆在运行过程中须不断地去除氙等气体裂变产物。熔盐堆除气系统中气泡发生器的作用是通过向回路中注入一定量的直径为0.5 mm的小气泡,在扩散作用下吸收熔盐中的氙,最终气泡被分离出来,达到除氙的目的。在橡树岭国家实验室设计的基础上,本文为钍基熔盐研究堆设计气泡发生器,并在专门建造的水回路中对其工作特性进行了可视化研究。利用高速摄像系统跟踪气泡的运动和碎化过程,分析气液相流速对碎化后气泡尺寸的影响。结果表明：在实验条件下,当气体流量一定时,气泡尺寸随液体流量的增大而减小;当液体流量一定时,气泡尺寸随气体流量的增加而增大。     

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.     

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。     

气泡破裂产生膜液滴现象可视化实验研究

气泡破裂产生液滴的现象普遍存在于核电厂蒸汽发生器中，由此产生的液滴是蒸汽流夹带液滴的主要来源之一。本工作利用可视化装置及高速摄像技术拍摄气泡在自由液面处破裂产生液滴的实验现象。结果表明，在实验气泡尺寸范围内，气泡液帽破裂产生膜液滴形式都是单点破裂，首先液膜进行排液，其后液帽顶部或底部产生孔隙，然后孔隙迅速扩大、液膜卷曲形成液体环，最终发生不稳定射流形成细小的膜滴。对实验数据进行拟合，得到气泡等效半径在3~25 mm范围内膜液滴数量同气泡尺寸关系式，实验结果与前人结果变化趋势相似。     

文丘里气泡发生器内气液两相流流型及压降实验研究

针对一类文丘里气泡发生器内气液两相流动的流型及压降开展了实验研究。通过可视化实验观测区分了气泡发生器内3种基本流型,包括泡状流、弹状流和柱状流。实验发现,随着两相流从弹状流转变为柱状流,气泡发生器内压降迅速增大。通过对压力信号的时频分析,证明气泡发生器出口位置最有利于压力信号的在线监测。从压力信号中提取了与流型转变紧密相关的概率密度函数相对峰度和功率谱密度差异系数,并分别应用于弹状流-柱状流和泡状流-弹状流流型转变的识别。由于已有的压降模型无法准确预测文丘里气泡发生器的整体压降,为此本研究提出了新的压降预测方法。新关联式考虑了气泡发生器内部分单液相流过程以及流型转变对压降预测的影响,预测值与实验测量结果吻合较好,相对均方根偏差约为10.74%。     

周期性力场作用下气泡径向附加力分析

本文详细推导了气泡受周期性力场影响的数学模型，分析了各种惯性力和浮力对气泡径向受力的影响。分析发现，摇摆产生的周期性惯性力中切向惯性力起主要作用，在摇摆台处于最大摆角时达到最大，法向惯性力和科氏惯性力对气泡的作用可忽略。摇摆角度增大、摇摆周期减小及气泡距实验段入口距离增大均会造成气泡所受径向周期性惯性力波动幅值增大。考虑到摇摆造成气泡所受浮力的周期性变化，浮力的波动幅值远大于周期性惯性力的波动幅值。此外，气泡受力波动幅值随气泡尺寸的增大显著增大，与气泡变形无关。     

文丘里气泡发生器气泡在喉部和扩张段的运动和碎化研究

文丘里式气泡发生器因其结构简单、能够有效产生所需均匀粒径的微气泡等优点,被熔盐堆脱气系统所采用。本文在脱气回路水力试验台架的实验基础上,借助高速相机来研究气泡在文丘里气泡发生器喉部和扩张段处的运动和碎化特性。研究表明:气泡运动可以分为4个阶段:1)气泡高速稳定运动阶段;2)气泡速度剧烈变化阶段;3)气泡速度稳定波动阶段;4)气泡低速稳定运动阶段。随着进气孔径的增大气泡在上述4个阶段的稳定性增加;随着水流量的增加,第二和第三阶段的区域将会向靠近x=0 mm处缩小。其中气泡的碎化过程主要是在第二阶段发生的。     

Behavior of a Single Bubble in Quiescent and Flowing Liquid inside a Cylindrical Tube

The velocity of a single bubble in quiescent and flowing liquid was studied to gain information on the structure of bubble- and slug-flows of gas-liquid two-phase flow.

In the experiments, tap water was used at room temperature and the bubbles were generated by injecting air with a syringe. The bubble velocities were evaluated from photographs taken by multiflash exposure. The tube diameters adopted were 5, 1 and 0.5 cm for the flowing liquid experiments and 1, 0.5 and 0.2 cm for the quiescent liquid experiments. The average liquid velocities varied from about 0 to 2 m/sec.

The results indicated that the velocity of a single bubble in flowing liquid was the sum of the local liquid velocity in the vicinity of the bubble and of the velocity of rise of bubble in quiescent liquid. For Taylor bubbles, the local liquid velocity is given by the maximum liquid velocity near the center of the channel.

The velocities of spherical and ellipsoidal bubbles are determined by the balance of forces acting on them, but that of the Taylor bubble appears to be determined by a different mechanism. A good explanation of such a mechanism is Taylor instability at the gas-liquid interface well removed from the channel wall.     

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。     

窄空间内受限空泡演化特征的可视化实验研究

对窄空间内自然对流条件下的沸腾空泡演化行为进行了可视化实验研究。液相工质为去离子水,实验段采用聚碳酸酯材料,窄小空间尺寸为2 mm×10 mm×250 mm。加热片采用FTO导电玻璃,从而实现从汽泡底部观察其生长特性。本文得到了不同热流密度下的汽泡生长特性曲线,发现在汽泡生长过程中,其长度与宽度的变化均符合指数规律,且长宽比在生长末期在一个固定值附近波动。汽泡生长速度随热流密度的变化不呈线性关系,受多种因素共同影响。同时,还分析了窄空间流道内汽泡聚合过程的受限界面演化特性。     

生长和浮升过程中气泡形状振荡特性研究

气泡形状变化对两相流动和热质传递过程有着重要影响。本文利用高速摄像仪和粒子图像测速（PIV）技术对生长和浮升过程中气泡的形状振荡特性进行了实验研究,分析了不同注气流量下气泡形状及其周围流场的变化规律。实验结果表明,气流量对脱离后气泡的形状有着明显影响,在低流量下,脱离气泡逐渐由长椭球形转变为扁椭球形,而在高流量下,脱离气泡与生长气泡的聚合将导致气液界面大幅振荡。此外,振荡气泡对其尾流区内生长气泡形状的影响同样不容忽视,其会引起生长气泡所受惯性作用增强,进而导致气泡形状波动。     

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。     

基于扩散界面法的液态铅铋合金中气泡上升行为模拟

基于扩散界面法,对单个氮气气泡在液态铅铋合金内从静止到充分发展整个过程中的动力学行为进行数值模拟,得到气泡形变特性和气泡上升速度随时间的变化关系,将模拟结果与Grace经验关系图对比,发现模拟得到的气泡形变结果在Grace经验关系图中均可找到且很好地吻合,从而验证了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中气泡上升行为的可行性和准确性。同时基于界面扩散法的模拟,对比了5种不同初始直径的氮气泡在液态铅铋合金中的上升行为,发现初始直径较小的气泡在上升过程中扰动会更剧烈,初始直径较大的气泡在上升过程中易发生分裂现象。     

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。