唐繼國，閻昌琪，孫立成，李亞，王開元

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蒸汽凝結(jié)過程聲壓波動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)研究

唐繼國1，閻昌琪1，孫立成2，李亞1，王開元1

(1哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150001；2四川大學(xué)水利水電學(xué)院，水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610207）

利用高速攝像儀和水聲換能器研究蒸汽凝結(jié)時(shí)的聲壓波動(dòng)信號(hào)和凝結(jié)區(qū)域的轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明，隨過冷度和蒸汽流量升高分別出現(xiàn)3個(gè)不同的凝結(jié)區(qū)域——體積波動(dòng)區(qū)、過渡區(qū)和毛細(xì)波區(qū)。此外，觀察到兩種分別對(duì)應(yīng)氣泡分裂和破碎的聲壓波動(dòng)波形。聲壓波動(dòng)信號(hào)的峰度存在階躍變化，且階躍處與凝結(jié)區(qū)域轉(zhuǎn)變的閾值接近。幅度譜的低頻區(qū)域存在頻率在150～300 Hz的峰值，其可能是由蒸汽體積周期性變化引入。在過渡區(qū)和毛細(xì)波區(qū)發(fā)現(xiàn)頻率高于7000 Hz的峰值，其可能是由氣泡突然破碎引入的局部壓力高頻振蕩造成的。蒸汽氣泡破碎頻率隨過冷度和蒸汽流量增加而增加，且與幅度譜中首峰頻率接近，誤差在±20%以內(nèi)。

凝結(jié)；氣泡破裂；聲壓波動(dòng)信號(hào)；氣液兩相流；傳熱

引 言

由于極高的傳熱和傳質(zhì)能力，直接接觸凝結(jié)(direct contact condensation, DCC)現(xiàn)象在化工、核能和航空航天等諸多領(lǐng)域都有極其重要的應(yīng)用，如汽水混合加熱器、蒸汽噴射泵以及抑壓式安全殼中用于降低殼內(nèi)壓力的抑壓水池等。凝結(jié)狀態(tài)和壓力波動(dòng)的研究對(duì)于應(yīng)用直接接觸凝結(jié)現(xiàn)象的裝置和設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及安全運(yùn)行等有著重要作用。

Ju等[1]利用全息干涉儀和高速攝像測(cè)量了凝結(jié)過程中氣泡周圍的傳熱系數(shù)。Youn等[2]研究了低蒸汽流速下的DCC現(xiàn)象。而Clerx等[3]和Xu等[4]則對(duì)流動(dòng)條件下的DCC進(jìn)行了研究。武心壯等[5]和Qiu等[6-7]分別分析了亞聲速和聲速下DCC過程中的壓力特性。Cho等[8]研究了多孔蒸汽注射下的DCC現(xiàn)象，并分析了孔徑和孔間距等對(duì)壓力波動(dòng)的影響。Takase等[9]通過數(shù)值分析的方法研究了抑壓水池中蒸汽凝結(jié)的特性。Gulawani等[10]用CFX中的Thermal Ohase Change模型研究了亞聲速和聲速下的DCC現(xiàn)象。Chan等[11]、Lee等[12]、Elperin等[13]以及Petrovic[14]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析提出了二維的DCC區(qū)譜圖。而Petrovic等[15]隨后以蒸汽質(zhì)量流速、水溫以及管徑建立了三維的DCC分區(qū)譜圖。Ueno等[16-17]利用過冷水中蒸汽的凝結(jié)過程模擬過冷沸騰時(shí)過冷液體與氣泡間的相互作用，以此來簡(jiǎn)化對(duì)于一種特殊的沸騰現(xiàn)象，氣泡微細(xì)化沸騰（microbubble emission boiling, MEB）形成機(jī)理的分析。

由于蒸汽氣泡的生長、凝結(jié)、分裂以及破碎等行為，DCC過程中聲信號(hào)的產(chǎn)生是不可避免的。盡管目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)DCC進(jìn)行了大量的研究，但是DCC發(fā)生時(shí)的聲信號(hào)特性以及其應(yīng)用卻少有報(bào)道。水聲換能器（水聽器）由于其突出的水下信號(hào)檢測(cè)能力而被廣泛應(yīng)用于多相流系統(tǒng)聲信號(hào)的研究中[18-20]。因此，本文利用水聲換能器采集不同工況下蒸汽氣泡凝結(jié)時(shí)的聲壓波動(dòng)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行時(shí)域和頻域特性分析，以研究蒸汽凝結(jié)時(shí)的聲壓波動(dòng)特性以及凝結(jié)區(qū)域轉(zhuǎn)變。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。蒸汽由電加熱鍋爐產(chǎn)生，通過內(nèi)徑4 mm的孔板注入到水箱中。蒸汽流量通過蒸汽閥與旁通閥調(diào)節(jié)。水箱中的水溫用直徑0.5 mm的K型鎧裝熱電偶測(cè)量，測(cè)點(diǎn)距蒸汽管道軸心約45 mm。銅制冷卻盤管和電加熱棒用于調(diào)節(jié)和維持水箱中的水溫，水溫波動(dòng)被控制在±1 K內(nèi)。水聲換能器(RHS-20)用于采集聲壓波動(dòng)信號(hào)，其與蒸汽出口豎直方向上的距離約5 mm，水平方向上的距離約50 mm。實(shí)驗(yàn)中水聲換能器的采樣頻率為51.2 kHz，采樣時(shí)間為1 s，每組工況采集4～6組數(shù)據(jù)。溫度信號(hào)和聲壓波動(dòng)信號(hào)由NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。蒸汽氣泡凝結(jié)過程由PHOTRON公司生產(chǎn)的高速攝影儀（Fastcam SA5）記錄。實(shí)驗(yàn)中采用背光系統(tǒng)以增強(qiáng)拍攝的清晰度。

2 蒸汽凝結(jié)過程可視化研究

10～70 K過冷度、0.74～3.73 m3·h-1蒸汽體積流量下，隨過冷度和蒸汽流量增加分別出現(xiàn)3種不同的凝結(jié)區(qū)域：體積波動(dòng)區(qū)(shape oscillation regime)、過渡區(qū)(transition regime)以及毛細(xì)波區(qū)(capillary wave regime)。不同過冷度、蒸汽流量下3個(gè)凝結(jié)區(qū)域分布如圖2所示。圖3示出這3個(gè)蒸汽凝結(jié)區(qū)域中典型的可視化結(jié)果。在體積波動(dòng)區(qū)，隨氣泡生長，其局部開始出現(xiàn)較弱的界面波動(dòng)，且緩慢發(fā)展，如圖3（a）所示。隨后，氣泡脫離蒸汽管道，逐漸分裂成數(shù)個(gè)小氣泡。在毛細(xì)波區(qū)，由于凝結(jié)作用強(qiáng)，氣泡表面的波動(dòng)會(huì)逐漸發(fā)展成毛細(xì)波，其波長與幅值均極小。當(dāng)氣泡脫離蒸汽管道后立即破碎成大量微小氣泡，如圖3（c）所示。過渡區(qū)可看作體積波動(dòng)區(qū)和毛細(xì)波區(qū)的過渡。如圖3（b）所示，過渡區(qū)氣泡表面的波動(dòng)強(qiáng)于體積波動(dòng)區(qū)而弱于毛細(xì)波區(qū)。此外，氣泡在脫離后不會(huì)立即破碎，而是逐漸凝結(jié)，在其凝結(jié)到一定程度后再破碎成許多微小汽泡。

過渡區(qū)和毛細(xì)波區(qū)中發(fā)生的氣泡破碎現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致過冷水中出現(xiàn)較強(qiáng)的壓力波動(dòng)以及噪聲。應(yīng)用DCC現(xiàn)象的裝置和設(shè)備因而會(huì)受到一定的沖擊，其運(yùn)行、壽命和隱蔽性等受到影響。然而，凝結(jié)狀態(tài)一旦進(jìn)入毛細(xì)波區(qū)，由于氣泡表面的毛細(xì)波極大增加了有效凝結(jié)面積，蒸汽與過冷水間的傳熱和傳質(zhì)會(huì)有階躍性的提升，這對(duì)利用直接接觸凝結(jié)現(xiàn)象換熱或混合的設(shè)備卻極其有利。因此，蒸汽凝結(jié)時(shí)的聲壓波動(dòng)的研究以及不同凝結(jié)狀態(tài)的識(shí)別具有十分重要的意義。

3 蒸汽凝結(jié)時(shí)聲壓波動(dòng)信號(hào)研究

3.1 時(shí)域分析

圖4所示是3個(gè)凝結(jié)區(qū)域中典型的聲壓波動(dòng)信號(hào)以及未通入蒸汽時(shí)的本底。未通入蒸汽時(shí)的聲壓波動(dòng)信號(hào)為環(huán)境噪聲，如圖4（a）所示，此時(shí)的信號(hào)幅值均處于0 mV左右。這說明環(huán)境噪聲對(duì)聲壓波動(dòng)信號(hào)幅值的影響可以忽略。如圖4（b）所示，在體積波動(dòng)區(qū)，聲壓波動(dòng)信號(hào)的幅值極小，這說明由氣泡逐漸分裂而引入的聲壓波動(dòng)較弱。如圖4（c）和（d）所示，在過渡區(qū)和毛細(xì)波區(qū)，聲壓波動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)高幅值的脈沖波動(dòng)，這說明氣泡破碎現(xiàn)象會(huì)引入劇烈的聲壓波動(dòng)。

不同過冷度和蒸汽流量下信號(hào)中發(fā)現(xiàn)兩種不同的波形，如圖5所示。在體積波動(dòng)區(qū)只觀察到第1種波形；在毛細(xì)波區(qū)只觀察到第2種；而在過渡區(qū)中的大部分信號(hào)包含第1種，少部分還可能包含第2種。此外，所觀察到的第1種波形均以相對(duì)較大的負(fù)幅值開始，而第2種卻以極高的正幅值開始。氣泡突然破碎會(huì)產(chǎn)生具有極高能量的瞬時(shí)沖擊，因此水聲換能器檢測(cè)到的第2種波形以較大幅值開始；由于瞬時(shí)沖擊無法持續(xù)，能量逐漸以聲能和熱能的形式輻射而減少[21]，因此第2種信號(hào)呈現(xiàn)衰減振蕩的趨勢(shì)。氣泡逐漸分裂過程，無瞬時(shí)高能沖擊產(chǎn)生，但是由于氣泡分裂而迅速凝結(jié)消失，因此水聲換能器檢測(cè)到的第1種波形通常以相對(duì)較高的負(fù)幅值開始振蕩。因此，第1種波形可能是由氣泡分裂形成，而第2種則是由氣泡破碎形成。

所采集的水聲換能器聲壓波動(dòng)信號(hào)的等間隔時(shí)間序列為()，其中=1, 2, ···,，為所采集信號(hào)的總樣本。則信號(hào)的幅值最大值為

圖6示出不同過冷度和蒸汽流量下聲壓波動(dòng)信號(hào)的幅值最大值。如圖所示，聲壓波動(dòng)信號(hào)幅值最大值通常隨過冷度和蒸汽流量的升高而增加，說明過冷度和蒸汽流量升高會(huì)加劇蒸汽氣泡的破碎過程。而在3.73 m3·h-1蒸汽流量、60 K過冷度下，極強(qiáng)的蒸汽凝結(jié)作用可能使氣泡未完全生長就破碎，因此該條件下最大幅值低于Qin=3.73 m3·h-1，DTsub=50 K和Qin=1.55 m3·h-1，DTsub=60 K時(shí)的最大幅值。

聲壓波動(dòng)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及平均絕對(duì)偏差通?？梢杂脕矸从硵?shù)據(jù)偏離平均值的程度，因此兩者可以用來表征聲壓波動(dòng)信號(hào)的整體波動(dòng)強(qiáng)度。相比于標(biāo)準(zhǔn)偏差，平均絕對(duì)偏差可以更好地減小異常值的影響。兩者可表示為

(3)

過冷度和蒸汽流量對(duì)聲壓波動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏差及平均絕對(duì)偏差的影響如圖7所示。從圖中可以看出，兩者的變化趨勢(shì)基本相同，Qin=0.74 m3·h-1時(shí)隨過冷度升高而升高，而Qin=1.55和3.73 m3·h-1時(shí)隨過冷度先增加后減小。這是由于在高過冷度、較高蒸汽流量下，凝結(jié)作用較強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)氣泡未完全生長就破碎的情況。因此，所采集到的信號(hào)中會(huì)存在較多幅值較小的脈沖，信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均絕對(duì)偏差下降。

聲壓波動(dòng)信號(hào)的最大幅值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均絕對(duì)偏差顯然無法明確判別凝結(jié)狀態(tài)。因此，對(duì)信號(hào)的高階矩進(jìn)行分析。相比于信號(hào)的均值和偏差等，偏度和峰度對(duì)信號(hào)中的變化更加敏感，可表示為

(6)

其中，偏度用于衡量信號(hào)概率分布的對(duì)稱性，而峰度用于衡量信號(hào)概率分布的陡峭程度。圖8和圖9分別示出偏度和峰度隨過冷度和蒸汽流量的變化。與Vial等[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，聲壓波動(dòng)信號(hào)的偏度基本沒有規(guī)律。如圖9所示，不同蒸汽流量下聲壓波動(dòng)信號(hào)的峰度隨過冷度升高存在階躍升高或下降，且階躍處對(duì)應(yīng)的過冷度與圖2所示蒸汽凝結(jié)區(qū)域轉(zhuǎn)變的過冷度基本一致。因此，通過信號(hào)的峰度可作為凝結(jié)區(qū)域轉(zhuǎn)變的判據(jù)，而信號(hào)的幅值最大值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均絕對(duì)偏差和偏度卻不可以。

3.2 頻域分析及氣泡破碎頻率

對(duì)圖4所示的聲壓波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），結(jié)果如圖10所示。不同凝結(jié)區(qū)域的低頻部分均發(fā)現(xiàn)頻率在150～300 Hz的峰值，其頻段范圍與Qiu等[7]實(shí)驗(yàn)中主頻的頻段范圍一致。Qiu等[7]認(rèn)為低頻區(qū)域的主頻是由蒸汽體積周期性變化引入的。在過渡區(qū)和毛細(xì)波區(qū)的高頻部分發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)頻率高于7000 Hz的峰值；而在體積波動(dòng)區(qū)卻未發(fā)現(xiàn)。此外，毛細(xì)波區(qū)的高頻峰值的幅值通常高于過渡區(qū)；而各個(gè)區(qū)的低頻峰值的幅值接近。如前所述，在過渡區(qū)和毛細(xì)波區(qū)，氣泡會(huì)突然破碎并引入高能沖擊，沖擊在水中傳播，并造成水聲換能器附近局部壓力高頻振蕩。這一高頻振蕩可能就是產(chǎn)生高頻峰值的原因。

圖10 不同凝結(jié)區(qū)域典型信號(hào)幅度譜
Fig. 10 Amplitude spectra of typical acoustic signals in different condensation regimes

信號(hào)幅度譜中的首峰頻率通常代表周期最長的一種周期現(xiàn)象，可能與氣泡周期性分裂或破碎行為有關(guān)。如圖10所示，首峰頻率通常在150 Hz以下，其隨過冷度和蒸汽流量變化如圖11所示。隨過冷度和蒸汽流量增加，首峰頻率增加。泡破碎頻率根據(jù)可視化結(jié)果計(jì)算，其定義為連續(xù)兩次氣泡發(fā)生破碎或分裂時(shí)間間隔平均值的倒數(shù)，即

不同過冷度下氣泡破碎頻率如圖12所示。由于過冷度和蒸汽流量的增加會(huì)分別減少氣泡破碎前的凝結(jié)時(shí)間和生長時(shí)間，因此氣泡破碎頻率隨過冷度和蒸汽流量升高而增加。對(duì)比圖11和圖12發(fā)現(xiàn)，兩種頻率所處頻段以及變化規(guī)律接近，因此推測(cè)氣泡分裂或破碎頻率近似等于幅度譜中首峰頻率，即

1=b(8)

兩種頻率比較示于圖13。如圖所示，幅度譜中首峰頻率可以較好地間接測(cè)量氣泡破碎頻率，其誤差在±20%以內(nèi)。

綜上所述，利用氣泡凝結(jié)時(shí)的聲壓波動(dòng)信號(hào)可以很好地識(shí)別出凝結(jié)所處的區(qū)域，并可對(duì)氣泡破碎頻率進(jìn)行間接測(cè)量。這些均可為工程上應(yīng)用DCC的裝置的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持及檢測(cè)方法。此外，氣泡微細(xì)化沸騰作為一種具有極高換熱能力的沸騰現(xiàn)象，其發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨氣泡破碎現(xiàn)象，而且其發(fā)生時(shí)的熱通量與氣泡破碎頻率有關(guān)。因此，本文的研究可為判別氣泡微細(xì)化沸騰是否發(fā)生與間接測(cè)量其熱通量提供了一種可行的方法。

4 結(jié) 論

本文利用高速攝像儀及水聲換能器對(duì)10～70 K過冷度、0.74～3.73 m3·h-1蒸汽體積流量下的蒸汽凝結(jié)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

（1）隨過冷度和蒸汽流量升高分別發(fā)現(xiàn)3個(gè)凝結(jié)區(qū)域：體積波動(dòng)區(qū)(shape oscillation regime)、過渡區(qū)(transition regime)和毛細(xì)波區(qū)(capillary wave regime)。在不同凝結(jié)區(qū)域的信號(hào)中發(fā)現(xiàn)兩種分別對(duì)應(yīng)氣泡分裂和氣泡破碎的波形。

（2）不同蒸汽流量下，聲壓波動(dòng)信號(hào)的峰度隨過冷度增加出現(xiàn)階躍升高或下降，階躍處的過冷度與凝結(jié)區(qū)域轉(zhuǎn)變的過冷度基本一致。因此，信號(hào)的峰度可以用來判別凝結(jié)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，而幅值最大值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均絕對(duì)偏差和偏度卻不可以。

（3）頻域分析發(fā)現(xiàn)，在低頻部分，所有凝結(jié)區(qū)域的聲壓波動(dòng)信號(hào)均存在峰值；而在高頻部分，僅過渡區(qū)和毛細(xì)波區(qū)存在。低頻峰值可能由蒸汽體積周期性波動(dòng)造成，而高頻峰值可能由氣泡突然破碎引入的局部壓力高頻振蕩造成。

（4）蒸汽氣泡破碎頻率隨過冷度和蒸汽注射流量增加而增加，且與幅度譜中首峰頻率接近，誤差在±20%以內(nèi)。

符 號(hào) 說 明

Aad——平均絕對(duì)偏差，mV f——頻率，Hz fb——?dú)馀萜扑轭l率，Hz f1——首峰頻率，Hz m——?dú)馀萜扑榛蚍至汛螖?shù) N——采樣頻率 Qin——蒸汽體積流量，m3·h-1 DTsub——過冷度，K Dtj——連續(xù)兩次氣泡破碎或分裂的時(shí)間間隔，s xmax——幅值最大值，mV x(t)——水聲換能器所采聲壓波動(dòng)信號(hào)，mV ——平均值，mV s——標(biāo)準(zhǔn)偏差，mV

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Condensation of vapor using sound pressure oscillation signals

TANG Jiguo1,YAN Changqi1,SUN Licheng2,LI Ya1,WANG Kaiyuan1

(1Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China;2State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, College of Hydraulic and Hydra-electric Engineering, Sichuan University, Chengdu 610207, Sichuan, China)

Signals of sound pressure oscillations during vapor condensation and transition of condensation regimes were investigated using a high-speed video camera and a hydrophone. Results indicate three different condensation regimes with the increase of subcooling and vapor injection rates, which are referred to as bubble oscillation regime, transition regime and capillary wave regime. In addition, two waveforms occur in the detected signals, of which sources are vapor bubble split-up and collapse. The kurtosis of the signals presents step changes, which is close to the transformation threshold of condensation regimes. The peak at frequency of 150—300 Hz appears in spectra in all condensation regimes, which may be resulted from the periodic variation in vapor volume. The peaks with frequency higher than 7000 Hz appear only in transition and capillary wave regimes and may be the resultant of the high-frequency oscillation in pressure caused by sudden collapse of vapor bubbles. The bubble collapse frequency increases with the increase of subcooling and vapor injection rates and is close to the frequency of the first peak in spectra with an error within ±20%.

condensation; bubble collapse; sound pressure oscillation signal; gas-liquid flow; heat transfer

2015-01-20.

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376052, 11475048, 51106101) and the Scientific Research Foundation of Sichuan University (YJ201432).

Prof. YAN Changqi, changqi_yan@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150080

TK 124

A

0438—1157（2015）07—2442—08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51376052，11475048，51106101)；四川大學(xué)科研基金項(xiàng)目（YJ201432）。

2015-01-20收到初稿，2015-02-27收到修改稿。

聯(lián)系人：閻昌琪。第一作者：唐繼國（1988—），男，博士研究生。