含不凝性氣體的蒸汽氣泡凝結過程研究

唐繼國，閻昌琪，＊，孫立成，侯曉凡

（1.哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱 150001；2.四川大學水利水電學院，四川成都 610207）

含不凝性氣體的蒸汽氣泡凝結過程研究

唐繼國1，閻昌琪1，＊，孫立成2，侯曉凡1

（1.哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱 150001；2.四川大學水利水電學院，四川成都 610207）

利用高速攝像儀對高過冷度下含不凝性氣體的蒸汽氣泡冷凝及破裂過程進行可視化研究，以分析不凝性氣體對氣泡微細化沸騰（MEB）過程的影響。實驗結果表明：初始不凝性氣體體積份額x0小于2.5%時，氣泡突然破碎成大量微小氣泡；x0在2.5%～7.5%之間時，較大氣泡只會分裂成數個小氣泡；x0大于7.5%時，氣泡界面非常穩定，不會發生破碎和分裂現象。此外，當蒸汽氣泡中含有較多不凝性氣體時，氣泡凝結過程減弱，液體對氣泡的慣性沖擊減小，氣泡不易破裂。由此可表明，在氣泡微細化沸騰發生時，不凝性氣體的存在會阻礙加熱面上氣泡的破碎，從而降低傳熱能力。

不凝性氣體；氣泡凝結；氣泡破裂；氣泡微細化沸騰

一定過冷度下，可能會發生一種伴隨大量微小氣泡噴射的特殊沸騰現象，且其熱流密度遠高于常規臨界熱流密度（CHF），這一現象被稱作氣泡微細化沸騰（MEB）。由于其具有極高的傳熱能力，MEB在核能、微電子、制冷等領域，均具有極好的應用前景。Inada等［1］首先注意到MEB現象，而后Shoji等［2］和Tange等［3］對鉑絲上的MEB現象進行了觀察。而進一步的研究表明，過冷度、流速、壓力、重力、工質、不凝性氣體和管道尺寸等，均對MEB現象有較大的影響［4－8］。Ueno等［9－10］向過冷水中注射蒸汽，以模擬MEB過程中蒸汽氣泡與過冷液體之間的相互作用。他們發現隨過冷度的提高，氣液界面上的擾動會加劇，并導致氣泡破裂。Suzuki等［11］認為由冷凝引發的氣泡破碎是MEB產生的重要原因。

目前，關于MEB的研究大多處于實驗階段，其確切的形成機理尚不清楚。氣泡的破裂和冷凝過程對于MEB的研究十分重要［9－11］。然而，由于氣相、液相和固相間極其復雜的相互作用，很難在復雜的沸騰系統中直接對這一過程進行研究。Ueno等認為，可通過向過冷水中注入蒸汽氣泡來模擬復雜沸騰中過冷液體與氣泡間的相互作用，以此來簡化MEB形成機理的分析［9－10］。因此，本文為分析不凝性氣體對MEB的影響，向過冷水中注入含有不凝性氣體的蒸汽來研究含不凝性氣體的蒸汽氣泡與過冷水間的相互作用。

1 實驗裝置與數據處理

1.1 實驗裝置

圖1為實驗裝置簡圖。實驗過程中蒸汽由蒸汽發生裝置產生，通過內徑為2 mm的圓管注入水箱（300 mm×240 mm×120 mm）中。蒸汽管道外壁包有隔熱材料以減少熱量損失。由于每組實驗時間間隔不超過3 s，且蒸汽注入量較小，因此，在實驗過程中水箱內液體溫度升高不會超過1℃。將每組實驗前后測得的水箱內溫度平均值作為液體溫度。在實驗前將過冷度調至85 K左右，系統壓力為1個大氣壓。在實驗前向蒸汽發生裝置中加入未除氣的水，且保持蒸汽發生裝置處于較低水位。當蒸汽氣泡被注入過冷水時，立即記錄氣泡冷凝破裂過程。隨著實驗進行，蒸汽中不凝性氣體含量逐漸降低，進而獲得不同不凝性氣體含量下蒸汽氣泡凝縮或破裂過程。氣泡凝結過程由PHOTRON公司生產的Fastcam SA5高速攝像儀采集，采樣頻率設定為7 500～10 000幀／s。利用背光系統以增強拍攝氣泡的清晰度。

圖1 實驗裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of experiment apparatus

在氣泡等效半徑的計算中，引入誤差主要有兩個原因：1）假設氣泡為關于豎直軸對稱的橢球體或兩個半橢球體計算體積時引入的誤差，一般低于5%［12］；2）由于圖像的分辨率引入的氣泡尺寸測量的相對誤差，小于3.5%。

1.2 數據處理

在本研究中，確定氣泡中初始階段不凝性氣體含量十分關鍵。由于存在不凝性氣體，氣泡中蒸汽分壓隨著冷凝的進行而下降。蒸汽壓力對應的飽和溫度也隨之下降，直至下降到液體溫度，冷凝停止。因此，剩余氣泡中會含有少量蒸汽。假設氣泡在凝結過程中蒸汽處于飽和狀態，不凝性氣體和蒸汽為理想氣體。根據氣泡凝結初始時刻和完全凝結時刻不凝性氣體的理想氣體狀態方程可得：

其中：pg0和pgf為不凝性氣體分壓；T0為凝結初始時刻不凝性氣體溫度；Tb為過冷水溫度；V0和Vf為氣泡體積。根據Dalton分壓定律，不凝性氣體分壓為：

其中：p為氣泡內總壓；pv為蒸汽分壓。根據Dalton分壓定律，不凝性氣體的初始摩爾份額可表示為：

其中：p0為初始時刻氣泡內總壓；pv0為初始時刻蒸汽分壓。本實驗過程中，水溫約為15℃，該溫度對應的飽和蒸汽壓力為1.7 k Pa。由式（1）～（3）及停止凝結后蒸汽的狀態參數可得凝結初始時不凝性氣體摩爾份額。

由于實驗中為正面拍攝，只能得到氣泡豎直方向和水平方向尺寸h、b。然而，在重力條件下，氣泡通?？山茷殛P于豎直軸對稱的橢球體或兩個半橢球體。因此，氣泡體積為：

本文用等效半徑作為氣泡的特征尺寸。按照等體積原則，將相同體積下球體半徑定義為等效半徑。實驗中氣泡脫離蒸汽注射管道時的等效半徑R0為0.5～1.5 mm。

2 實驗結果及分析

2.1 不凝性氣體對MEB的影響

圖2為不凝性氣體對50 K過冷度下MEB的影響［8］?？煽闯?，在含有和不含不凝性氣體的水沸騰實驗中均發生了MEB現象，且MEB區域的換熱性能均遠高于飽和沸騰的CHF值。但在含有不凝性氣體條件下，會出現氣泡破裂受阻以及換熱性能減弱的現象。下文將進一步分析不凝性氣體對過冷水中蒸汽氣泡破碎過程的影響。

圖2 不凝性氣體對50 K過冷度下MEB的影響Fig.2 Effect of noncondensable gas on MEB at liquid subcooling of 50 K

2.2 可視化實驗結果分析

含不凝性氣體的蒸汽氣泡在過冷水中冷凝時，觀察到3種不同的凝結過程，分別是氣泡破碎、氣泡分裂及氣泡的逐漸凝縮。圖3為不同凝結過程對應的初始不凝性氣體含量。當x0＜2.5%時，主要發生氣泡破碎現象；當x0在2.5%～7.5%之間時，發生氣泡分裂現象；當x0＞7.5%時，氣泡無破碎和分裂現象發生，而是逐漸凝縮。

圖3 不同凝結過程對應的初始不凝性氣體含量Fig.3 Content of initial noncondensable gas for different condensing processes

典型的蒸汽氣泡凝結過程示于圖4，其中氣泡初始等效半徑均為1 mm左右。在較低初始不凝性氣體含量（x0＜2.5%）下，蒸汽氣泡會突然冷凝，在冷凝過程中氣泡界面上會出現劇烈擾動，隨后較大氣泡突然破碎成大量微小氣泡（圖4a）。該現象與Ueno等［9－10］所觀察到的實驗現象相似。然而，在較高初始不凝性氣體含量（2.5%＜x0＜7.5%）下（圖4b、c），氣液界面比較光滑，無氣泡突然破碎現象，較大氣泡在冷凝一段時間后分裂成數個小氣泡。隨不凝性氣體含量的增加，分裂后的氣泡數減少。x0＝3.32%時，分裂成數個小氣泡；x0＝4.45%時，只分裂成兩個小氣泡。當初始不凝性氣體含量進一步增加（x0＞7.5%）時，較大氣泡甚至不會發生破碎和分裂過程，而是在冷凝變形后恢復成一球形氣泡（圖4d）。

2.3 不凝性氣體對氣泡破碎過程的影響

對過冷水中純蒸汽氣泡的冷凝過程，換熱溫差通常定義為系統壓力下的飽和溫度與周圍液體溫度的差值，即：

其中，Ts為系統壓力下蒸汽飽和溫度。但不凝性氣體的存在會改變冷凝換熱溫差，所以須對其進行修正［13］：

圖4 典型的蒸汽氣泡凝結過程Fig.4 Condensation process of typical vapor bubble

圖5為不凝性氣體含量對修正后溫差的影響。從圖5可看出，冷凝換熱溫差隨著冷凝的進行而逐漸降低，且呈非線性變化趨勢。此外，隨初始不凝性氣體含量的增加，初始冷凝溫差減小。

圖5 不凝性氣體含量對修正后溫差的影響Fig.5 Effect of noncondensable gas content on modified temperature difference

由冷凝氣泡周圍能量守恒過程［13］有：

則氣泡冷凝換熱系數hc為：

式中：d R／d t為氣泡半徑變化速率；ρv為蒸汽密度；hfg為汽化潛熱。

氣泡從脫離注射管道到破裂或發生嚴重變形時，其等效半徑隨時間的變化如圖6所示。從圖6可看出，在不同初始不凝性氣體含量下，氣泡半徑均近似呈線性變化。因此d R／d t近似為：

圖6 氣泡冷凝過程中等效半徑的變化Fig.6 Equivalent bubble radius history in condensation process

式中：t0為氣泡脫離時刻；t為氣泡破裂或發生嚴重形變時刻。由于冷凝溫差在冷凝過程中呈非線性變化，因此，將其近似為工程上經常使用的對數平均溫差：

其中：ΔTmax為氣泡脫離時刻的平均溫差；ΔTmin為氣泡破裂或發生嚴重形變時刻的平均溫差。

將式（11）、（12）代入式（10）得到不同初始不凝性氣體含量下氣泡冷凝過程的平均冷凝換熱系數：

圖7為不凝性氣體含量對冷凝換熱系數的影響。冷凝換熱系數隨x0的增加而下降。因在含不凝性氣體的蒸汽氣泡冷凝過程中，氣液界面附近的蒸汽被凝結而不凝性氣體卻積累。積累的不凝性氣體阻礙新蒸汽冷凝，進而削弱冷凝換熱。不凝性氣體含量越多，蒸汽冷凝效果越差。此外，x0＜2.5%時，氣泡冷凝換熱系數隨x0的增加迅速下降；x0＞2.5%時，隨x0的增加氣泡冷凝換熱系數下降趨緩。

圖7 不凝性氣體含量對冷凝換熱系數的影響Fig.7 Effect of noncondensable gas content on condensation heat transfer coefficient

Pan等［14］認為，氣泡凝結作用的增強會使由凝結引起的慣性沖擊變大，到達一定程度時會導致氣泡的破裂。高過冷度下，當不凝性氣體含量較低時，氣泡凝結作用極強，液體的慣性沖擊很大，氣泡極易破碎。但當不凝性氣體含量較高時，凝結被大幅削弱，液體的慣性沖擊減小，氣泡比較穩定不會破裂，與可視化研究結果相符。這說明高過冷度下蒸汽中的不凝性氣體會阻礙氣泡破裂。因此，含有不凝性氣體時，MEB發生過程中會出現加熱面長時間被蒸汽氣膜覆蓋的現象［8］，此時，氣泡破碎頻率會減小。由文獻［11］可知，在MEB區域，氣泡破碎頻率越小，熱流密度越低，因此，當含有不凝性氣體時，MEB區域的換熱能力將被削弱。

3 結論

本文通過向過冷水中注入含不凝性氣體的蒸汽，研究了不凝性氣體對蒸汽氣泡凝結過程的影響。在此基礎上分析了不凝性氣體影響MEB的原因，得到以下結論。

1）隨初始不凝性氣體體積份額x0的增加，依次出現以下氣泡凝結現象：氣泡突然破碎成大量微小氣泡（x0＜2.5%）；氣泡分裂成數個小氣泡（2.5%＜x0＜7.5%）；氣泡界面非常穩定，不會發生破碎和分裂現象（x0＞7.5%）。

2）隨不凝性氣體含量的增加，氣泡冷凝換熱系數下降，導致由氣泡凝結引起的液體慣性沖擊減弱，使氣泡更加穩定。這可能是造成含不凝性氣體的MEB現象中氣泡破碎受阻以及換熱被減弱的一個原因。

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Study on Condensation Process of Vapor Bubble Containing Noncondensable Gas

TANG Ji-guo1，YAN Chang－qi1，＊，SUN Li-cheng2，HOU Xiao-fan1
（1.Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；
2.College of Hy draulic and Hy dra-electric Engineering，Sichuan University，Chengdu 610207，China）

A visualized investigation was performed to study the condensation and collapse processes of vapor bubbles at high liquid subcooling with a high-speed video camera（Fastcam SA5）.Experiment results show that a vapor bubble will collapse to many microbubbles rapidly when the initial volumetric fraction of noncondensable gas in the bubble，x0，is less than 2.5%.Instead，a large bubble will split into just several tiny bubbles when x0is between 2.5%and 7.5%.Further，x0increases exceeding 7.5%，the bubble surface will be very stable，and no collapse or fragmentation occurs.The noncondensable gas in a vapor bubble reduces the condensation at the bubble surface，which weakens the inertial shock of the liquid on the surface and makes the bubble more stable.This may elucidate that the presence of noncondensable gas willinhibit the bubble collapse in microbubble emission boiling and deteriorate the heat transfer performance consequently.

noncondensable gas；bubble condensation；bubble collapse；microbubble emission boiling

TK124

：A

1000-6931（2015）09-1593-06

10.7538／yzk.2015.49.09.1593

2014-05-01；

2014-06-16

國家自然科學基金資助項目（51376052，11175050）

唐繼國（1988—），男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，核科學與技術專業

＊通信作者：閻昌琪，E-mail：changqi＿yan＠163.com