唐文偲，閻昌琪，孫立成，劉 衛(wèi)，李 華

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；

2.中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800)

反應(yīng)堆在運(yùn)行過(guò)程中，堆中會(huì)產(chǎn)生氙、氪等中子吸收截面較大的裂變氣體，氙和氪是反應(yīng)堆運(yùn)行中最重要的中子毒物，會(huì)對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)性的變化產(chǎn)生重要影響。所以，在熔鹽堆運(yùn)行過(guò)程中必須要實(shí)時(shí)地、不斷地去除氙和其他裂變氣體，以保證熱中子的利用率和反應(yīng)堆反應(yīng)性的相對(duì)穩(wěn)定[1]。熔鹽堆以熔融態(tài)氟化物作為燃料，產(chǎn)生的氙和氪隨燃料鹽在反應(yīng)堆中循環(huán)。熔鹽堆區(qū)別于其他反應(yīng)堆的一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是能對(duì)產(chǎn)生的裂變氣體進(jìn)行在線去除。在熔鹽堆除氣系統(tǒng)中氣泡發(fā)生器的作用是產(chǎn)生一定尺寸且大小均勻的氦氣氣泡。含量一定的氣泡進(jìn)入燃料鹽回路后，通過(guò)質(zhì)量轉(zhuǎn)移吸收裂變產(chǎn)生的氙和氪，含裂變產(chǎn)物氣體的氣泡，通過(guò)除氣回路中的分離器從熔鹽中分離，進(jìn)而達(dá)到除去氙和氪的目的。

本文基于橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)氣泡發(fā)生器的設(shè)計(jì)，為小型釷基熔鹽研究堆設(shè)計(jì)新的氣泡發(fā)生器，同時(shí)在專門的水回路上對(duì)其碎化特性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)高速攝像系統(tǒng)，對(duì)氣泡發(fā)生器氣泡的產(chǎn)生過(guò)程及影響因素進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熔鹽堆除氣系統(tǒng)采用文丘里式氣泡發(fā)生器[2]。該系統(tǒng)要求氣泡發(fā)生器在設(shè)計(jì)流量下、截面含氣率為0.3%時(shí)能產(chǎn)生直徑為0.5 mm的氣泡，且氣泡在熔鹽中能均勻分布。由于文丘里式氣泡發(fā)生器安全性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且流動(dòng)阻力小，最終被熔鹽堆除氣系統(tǒng)所采用。

本文在ORNL氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，參考多種類型的氣泡發(fā)生器，設(shè)計(jì)一新的文丘里式氣泡發(fā)生器[3-7]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該氣泡發(fā)生器主要由收縮段、喉部、擴(kuò)張段和注氣環(huán)腔4部分組成。流體在收縮段壓力降低，流速增加，在喉部流速達(dá)到最大值，最后經(jīng)擴(kuò)張段壓力逐漸恢復(fù)，流速減小。氣體在進(jìn)入喉部前，先進(jìn)入一注氣環(huán)腔，環(huán)腔通過(guò)15個(gè)均勻分布的1 mm小孔與喉部相通，氣體通過(guò)這些小孔進(jìn)入到文丘里式氣泡發(fā)生器的喉部。

圖1 文丘里式氣泡發(fā)生器示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)回路和實(shí)驗(yàn)方法

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)回路主要由供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、氣泡發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)5部分組成，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)以空氣和水為工質(zhì)，水箱中的水通過(guò)離心泵的驅(qū)動(dòng)進(jìn)入氣泡發(fā)生器入口，空氣經(jīng)儲(chǔ)氣罐進(jìn)入氣泡發(fā)生器喉部，在擴(kuò)張段氣泡被高速流動(dòng)的水的湍流作用碎化為大量微小氣泡，隨水流出氣泡發(fā)生器。最終，水經(jīng)由回水管路返回水箱，氣泡則排入大氣。氣泡發(fā)生器豎直放置，在發(fā)生器出口穩(wěn)定段的下游，安裝了一截面為方形的觀察段，可方便地觀察氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程和測(cè)量氣泡的尺寸。在文丘里式氣泡發(fā)生器的入口、喉部和出口各有測(cè)壓點(diǎn)，入口測(cè)壓點(diǎn)距收縮段20 mm，出口測(cè)壓點(diǎn)距擴(kuò)張段20 mm。由于可視化需要，文丘里式氣泡發(fā)生器材料為有機(jī)玻璃。

壓力采用精度為0.04級(jí)的壓力傳感器測(cè)量，氣液流量分別采用精度為1級(jí)和0.1級(jí)的質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。流量和壓力信號(hào)均由NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，并記錄在計(jì)算機(jī)中；圖像信息由高速攝像系統(tǒng)采集。本實(shí)驗(yàn)的液相和氣相體積流量分別為10～30 m3/h和0～0.12 m3/h。

高速攝像系統(tǒng)由高速攝像儀、光源和計(jì)算機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)采用Photron公司FASTCAM SA5型高速攝像儀。高速攝像儀拍攝幀速為5 000～10 000幀/s，曝光時(shí)間為0.05 ms。

碎化后氣泡的直徑可在氣泡發(fā)生器上部方管段進(jìn)行拍攝和測(cè)量，先由高速攝像儀拍攝得到氣泡圖像，然后在同等拍攝條件下拍攝1張標(biāo)尺照片，使用圖像分析軟件對(duì)標(biāo)尺照片進(jìn)行定標(biāo)，給定標(biāo)尺后即可較準(zhǔn)確地測(cè)量出圖片區(qū)域內(nèi)每個(gè)氣泡的直徑[8-9]。氣泡直徑測(cè)量過(guò)程如圖3所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察，氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡分布較為均勻，拍攝區(qū)域內(nèi)的氣泡在不同時(shí)刻分布大體相同，為了消除因選取不同時(shí)刻的照片對(duì)氣泡直徑測(cè)量產(chǎn)生的影響，在每個(gè)工況下選取若干張連續(xù)氣泡照片進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)測(cè)量出該工況下產(chǎn)生氣泡的平均直徑。每個(gè)工況參數(shù)條件下的平均直徑，利用體積平均方法得到[2]。體積平均直徑dv定義如下：

(1)

式中，ni為氣泡直徑為di的氣泡個(gè)數(shù)。

圖3 氣泡直徑測(cè)量過(guò)程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氣泡發(fā)生器氣泡碎化過(guò)程

圖4為水流量Ql=20 m3/h、氣流量Qg=0.06 m3/h時(shí)氣泡發(fā)生器中氣泡的碎化過(guò)程。從喉部小孔出來(lái)的較大氣泡，在高速流體的作用下，在文丘里式氣泡發(fā)生器喉部的內(nèi)壁形成連續(xù)的一串氣泡，一直延伸至擴(kuò)張段入口。在擴(kuò)張段，氣泡速度降低，其形狀劇烈地發(fā)生變化，并在高速流體強(qiáng)烈的紊流作用下，碎化成更小氣泡。隨后而來(lái)的較大氣泡不斷碎化，在擴(kuò)張段形成了大量的微小氣泡，隨水流一起擴(kuò)散至整個(gè)流道。

圖4 氣泡發(fā)生器中氣泡的碎化過(guò)程

圖5示出氣泡碎化的詳細(xì)過(guò)程。為方便觀察，實(shí)驗(yàn)時(shí)用高速攝像儀集中拍攝1個(gè)注氣孔出來(lái)的氣體，跟蹤1個(gè)氣泡的變化過(guò)程。高速攝像儀的拍攝幀速為10 000幀/s，選取連續(xù)的50幀圖片，6張圖片中箭頭所指為每隔1 ms氣泡所處的位置和形狀。由圖5a可看出，大氣泡在進(jìn)入擴(kuò)張段前保持理想的球體形狀，在進(jìn)入擴(kuò)張段紊流區(qū)域后，氣泡外形變?yōu)闄E圓形，在紊流力和表面張力的共同作用下進(jìn)一步被擠壓成帽狀，直至最后撕裂破碎成小氣泡，碎化過(guò)程示意圖如圖5b所示。另外，氣泡的碎化集中在距離擴(kuò)張段入口10 mm處，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的紊流強(qiáng)度最大，大氣泡進(jìn)入這個(gè)區(qū)域后速度明顯降低，存在一滯止時(shí)間。氣泡碎化現(xiàn)象只有在管內(nèi)紊流強(qiáng)度足夠高，且滯止時(shí)間大于碎化所需的時(shí)間時(shí)才能發(fā)生。管內(nèi)水流速越大，紊流強(qiáng)度越高，氣泡越易碎化。

由氣泡發(fā)生器的工作原理可知，擴(kuò)張段紊流的強(qiáng)度直接影響文丘里式氣泡發(fā)生器對(duì)氣泡的碎化效果。在文丘里式氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)，流體在喉部的速度越大，它在擴(kuò)張段的紊流強(qiáng)度也越大。圖6a為水流量Ql=15 m3/h、氣流量Qg=0.03 m3/h時(shí)擴(kuò)張段的氣泡碎化情況；當(dāng)喉部水流量Ql=20 m3/h、維持氣流量不變時(shí)，擴(kuò)張段的氣泡碎化情況如圖6b所示。從圖中可看出，當(dāng)喉部水流量增加時(shí)，文丘里式氣泡發(fā)生器對(duì)氣泡的碎化作用加強(qiáng)，產(chǎn)生的氣泡變小，氣泡數(shù)量增多。

圖5 氣泡的詳細(xì)碎化過(guò)程

a——Q1=15 m3/h；b——Q1=20 m3/h

2.2 碎化過(guò)程與雷諾數(shù)的關(guān)系

文丘里式氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡是在擴(kuò)張段流體強(qiáng)烈的紊流作用下形成的。由于氣泡的尺寸遠(yuǎn)大于流道內(nèi)的黏性底層的厚度，因而，氣泡的碎化不可能是由于流體的黏性剪切力造成的。研究表明，氣泡的尺寸是由紊流力和氣泡的表面張力共同決定的。

紊流慣性力Fi由單位體積的能量耗散率εv決定[10]：

(2)

其中：ρ為流體密度；d為氣泡直徑；gc為正比例常數(shù)。

表面張力Fs的表達(dá)式為：

Fs≈σd

(3)

式中，σ為表面張力系數(shù)。

定義紊流韋伯?dāng)?shù)We為：

(4)

無(wú)量綱韋伯?dāng)?shù)是控制氣泡尺寸的一關(guān)鍵參數(shù)。由式(4)可知?dú)馀葜睆絛為：

(5)

式(5)最先由Hinze[11]提出，為了確定氣泡的尺寸，須已知能量耗散率εv，Kress[10]的研究表明若擴(kuò)張角不是很大，則εv可通過(guò)下式?jīng)Q定：

(6)

其中：μ為動(dòng)力黏度；D為喉部直徑；Re為喉部的液相雷諾數(shù)。

將式(6)代入式(5)，可得：

d/D≈(gcσρD/μ)3/5/Re11/10

(7)

由式(7)可看出，紊流區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的氣泡的直徑同Re-1.1呈正比關(guān)系。

圖7為不同氣流量下水流量Ql為15～25 m3/h時(shí)碎化后氣泡無(wú)量綱直徑(dv/D)與液相雷諾數(shù)的關(guān)系。由圖7可知，氣泡直徑隨雷諾數(shù)的增加而減小，說(shuō)明雷諾數(shù)的增加增強(qiáng)了氣泡發(fā)生器的碎化效果，產(chǎn)生的氣泡更小。另外，在同一水流量下，氣泡直徑隨氣流量的增大而增大。對(duì)不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合曲線及其公式，擬合公式中雷諾數(shù)的指數(shù)為1.3，與理論指數(shù)1.1較為接近。

圖7 氣泡直徑隨雷諾數(shù)的變化

3 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)的氣泡發(fā)生器在水流量21 m3/h、氣流量0.06 m3/h、截面含氣率0.3%時(shí)，產(chǎn)生的氣泡平均直徑為0.5 mm左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 氣泡的碎化發(fā)生在文丘里式氣泡發(fā)生器的擴(kuò)張段，且主要集中在一固定區(qū)域，氣泡在此區(qū)域內(nèi)由于紊流的作用，發(fā)生劇烈變形，最終破裂成更多的小氣泡。

3) 實(shí)驗(yàn)得出的液相雷諾數(shù)與氣泡無(wú)量綱直徑(dv/D)的關(guān)系能很好地反映出碎化過(guò)程與雷諾數(shù)的關(guān)系，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合公式與理論公式相比仍存在一定的誤差。

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