基于底部可视的矩形窄流道内汽泡生长及聚合特性实验研究.pdf

中文摘要 摘 要 窄流道结构紧凑，流道内沸腾两相流动具有较大的换热系数，目前被广泛应 用于先进核反应堆的堆芯设计。沸腾两相流动伴随着的汽泡动力学行为极其复杂； 窄流道内汽泡生长到与流道相当大小后，由于受到流道壁面限制汽泡形状发生变 形，导致汽泡行为与常规流道存在差异。因此，为了揭示窄流道内汽泡行为和界 面形态演变规律，仍需进一步开展实验研究。本文以去离子水为工质在不同热工 工况下开展了可视化实验研究，所采用的实验段为四面可视矩形窄流道；结合实 验研究结果，采用图像分析方法研究了汽泡动力学行为。本文开展的主要研究工 作如下： 针对沸腾汽泡行为的图像分析，通过增添灰度拉伸、边缘检测与闭运算等处 理方法，建立了改进的图像自动分析方法。通过这种图像分析方法能有效解决汽 泡图像分割中光斑引起的汽泡轮廓不封闭问题，实现汽泡自动识别及汽泡参量获 取。所提取的汽泡参量包括汽泡数目、横纵轴长度、面积和当量直径等。 结合本文建立的图像分析方法，获得了窄流道内汽泡生长曲线和汽泡聚合行 为。通过分析汽泡生长曲线发现，汽泡生长速率前期较快后期较慢，分别处于惯 性生长时期和热扩散控制生长阶段。汽泡生长到一定尺寸后是否脱离核化点取决 于汽泡的受力情况。随着汽泡体积增大，汽泡在浮力和重力的作用下被拉长；形 状由球形转变成椭球形，纵横轴长度比逐渐大于1。在汽泡聚合过程中，包含排液、 融合以及聚合后行为三个阶段；其中在排液过程中泡间液膜降至临界厚度是引起 汽泡聚合的重要因素，在融合阶段发现了汽泡底部干斑的演化、厚液膜和残留液 滴的演变过程。根据诱导汽泡聚合发生的因素，把汽泡聚合分为热力学聚合和水 力学聚合，其中水力学因素有流体波动、汽泡界面波动和挤压等。 结合图像分析技术，针对窄流道内汽泡行为特征提出了空泡份额的计算方法； 在此计算方法中，考虑了汽泡受流道壁面限制和汽泡与壁面间存在接触角等因素 的影响。通过对大量图像自动分析，获得了不同热工参数下窄流道内沸腾两相流 动的空泡份额。同时本文分析了不同界面现象下的汽泡密度和空泡份额的变化特 征；不同的界面现象包括多汽泡生长、汽泡形态相对稳定以及存在大汽泡滑移等 情况。 关键词：沸腾两相流动；汽泡动力学行为；可视化实验；窄流道；图像分析 I 英文摘要 Abstract The structure of narrow channel is compact, and the heat transfer coefficient of the boiling two-phase flow in the channel is large, so the narrow channel is currently widely used in the core design of the advanced nuclear reactor. The bubble dynamic behavior accompanying by the boiling two-phase flow is extremely complicated. After the bubble grows to the size corresponding to the channel, the shape of bubble is deformed due to the restriction of the flow channel wall, which causes the bubble behavior in the narrow channel differs from that in the conventional channel. In this paper, the deionized water was used as the working medium, and the visual experimental research was carried out under different thermal conditions. A rectangular narrow channel with four visual