鐘達(dá)文，史昊鵬，孟繼安，秦天驕，張 顯，劉 赟

(1.華北電力大學(xué) 非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084；3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

日本福島核事故后，壓力容器外部冷卻技術(shù)成為新建壓水堆核電站嚴(yán)重事故管理中必備的措施[1-3]。其工作原理在于當(dāng)壓水堆核電站發(fā)生堆芯熔化事故時(shí)，通過非能動(dòng)方式向反應(yīng)堆腔室注水，使壓力容器底部下封頭淹沒，在壓力容器外部發(fā)生池沸騰換熱冷卻壓力容器內(nèi)部熔融物，從而保證壓力容器的結(jié)構(gòu)完整性。國(guó)內(nèi)外已開展了大量研究旨在提高壓力容器外表面的臨界熱流密度(CHF)，然而對(duì)加熱表面朝下的汽泡動(dòng)態(tài)行為及其對(duì)CHF影響的機(jī)理缺乏深入的研究。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，加熱面朝下的沸騰換熱的CHF隨著傾角的增大而增大[4-7]，同時(shí)Yang等[8]和Howard等[9]發(fā)現(xiàn)CHF隨著傾角的減小存在“轉(zhuǎn)折角效應(yīng)”，即當(dāng)傾角小于某一值時(shí)，CHF會(huì)迅速下降。汽泡在加熱表面朝下的停留時(shí)間與沸騰危機(jī)的觸發(fā)機(jī)理具有直接關(guān)系。鐘達(dá)文等[7]通過可視化發(fā)現(xiàn)朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面高熱通量時(shí)在不同傾角下的汽泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)可分為蒸汽膜結(jié)構(gòu)和波浪蒸汽層結(jié)構(gòu)，兩種汽泡結(jié)構(gòu)有不同的脫離周期。通過高速攝像機(jī)捕捉汽泡動(dòng)態(tài)行為，并通過圖像處理技術(shù)提取和分析汽泡行為是近年來發(fā)展的新技術(shù)。Pham等[10-11]采用背光布置通過高速攝像機(jī)研究了模擬3×3沸水堆燃料棒束布置的環(huán)形兩相流，利用圖像處理分析了氣液截面的動(dòng)態(tài)行為特征，獲得了液膜平均厚度、高度、速度等數(shù)據(jù)。Chang等[12]研究了單個(gè)汽化核心的汽泡脫離直徑和脫離頻率等規(guī)律。徐建軍等[13]采用高速攝像機(jī)從寬面和窄面立體可視化觀察了滑移汽泡間的聚合特性。陳德奇等[14]對(duì)窄空間內(nèi)自然對(duì)流條件下的沸騰空泡演化行為進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同熱流密度下的汽泡生長(zhǎng)特性曲線。Beck等[15]采用圖像處理技術(shù)研究了朝下半球外表面膜態(tài)沸騰過程中汽膜的動(dòng)力學(xué)行為，汽膜厚度隨過冷度的增加和傾角的減小而減小。Cheung等[6]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)朝下半球表面汽泡脫離頻率約為4 Hz。Gopal等[16]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)氣液兩相流中彈狀流的局部速度和空泡份額進(jìn)行了定量研究。Dinh等[17]利用預(yù)處理(新建背景和降低噪聲)、邊緣檢測(cè)(提取汽泡邊緣和邊緣增強(qiáng))，提取了氣液兩相流中泡/彈狀流的汽泡結(jié)構(gòu)。薛艷芳等[18]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和高速攝像技術(shù)研究了反應(yīng)堆壓力容器下封頭外部冷卻過程，分析了不同工況下沸騰汽泡的界面演化、汽膜厚度、沸騰循環(huán)周期等汽泡行為特征。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外利用圖像處理技術(shù)研究汽泡的動(dòng)態(tài)行為主要集中在泡狀流和彈狀流流動(dòng)過程中或孤立汽泡的動(dòng)態(tài)行為，加熱表面朝下的汽泡動(dòng)態(tài)行為研究主要集中在朝下半球曲面。然而針對(duì)朝下平板表面的汽泡動(dòng)態(tài)行為研究較少。本文擬采用圖像處理技術(shù)研究加熱平板表面朝下的沸騰過程中汽泡脫離周期、汽膜厚度和脫離速度等行為特征，為加熱表面朝下沸騰換熱機(jī)理提供定量化分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及圖像處理方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)件系統(tǒng)、操作條件控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)件示意圖。實(shí)驗(yàn)件系統(tǒng)包括可旋轉(zhuǎn)水箱和實(shí)驗(yàn)組件，其中可旋轉(zhuǎn)水箱設(shè)置有5個(gè)觀察窗，可方便地在任意傾角觀察實(shí)驗(yàn)件表面的沸騰狀況。實(shí)驗(yàn)組件密閉安裝在旋轉(zhuǎn)水箱中可360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)件為帶電加熱棒的方形紫銅塊(100 mm×100 mm×75 mm)，內(nèi)插24根功率為1 kW的電加熱器，24根電加熱器分4組均勻布置以保證熱流密度均勻，沸騰換熱表面為圖中銅塊最底面，尺寸為100 mm×100 mm。通過高速攝像機(jī)采集汽泡動(dòng)態(tài)過程，采集頻率為500 Hz，分辨率為1 280×1 024像素。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置(a)和實(shí)驗(yàn)件示意圖(b)Fig.1 Experimental apparatus (a) and test section diagram (b)

1.2 圖像處理方法

實(shí)驗(yàn)表面為溝槽結(jié)構(gòu)表面，溝槽寬度為1 mm、深度為1 mm、間距為2 mm，在飽和水中對(duì)其進(jìn)行沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，獲得了CHF隨傾角的變化規(guī)律，CHF隨傾角θ的增大而增大，θ=5°時(shí)測(cè)得的CHF為956 kW/m2；θ=90°時(shí)，CHF最高達(dá)到2 075 kW/m2。具體結(jié)果分析可參考文獻(xiàn)[7]。θ=5°、換熱表面的熱流密度q=945 kW/m2時(shí)的沸騰換熱汽泡行為如圖2所示，此時(shí)的沸騰處于核態(tài)沸騰區(qū)。0 ms時(shí)加熱表面處于1個(gè)大汽泡脫離的末期，加熱表面開始長(zhǎng)出聚合的汽泡，而后一直到200 ms汽泡逐漸長(zhǎng)大并在朝下表面伸展開來，當(dāng)汽泡的尺寸超過朝下表面的尺寸后，240 ms時(shí)汽泡開始脫離，280 ms圖像中可清晰看到汽泡向上脫離。320 ms時(shí)大汽泡已完全脫離加熱表面，下一個(gè)汽泡開始生長(zhǎng)，如此周而復(fù)始。

針對(duì)加熱平板表面朝下的沸騰換熱過程的汽泡動(dòng)態(tài)行為，基于Matlab軟件開發(fā)了圖像處理分析程序。通過視頻處理軟件將所拍攝的視頻按每幀提取獲得清晰的圖像，同時(shí)選取背景圖像，以便后期進(jìn)行運(yùn)算。圖像處理過程分為3個(gè)部分：1) 預(yù)處理部分，首先讀取視頻提取圖像(即目標(biāo)圖像)和背景圖像，獲取目標(biāo)圖像的幾何結(jié)構(gòu)信息；2) 數(shù)字圖像的處理部分，將目標(biāo)圖像與背景圖像進(jìn)行差運(yùn)算，然后對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除圖像的噪聲，再將圖像進(jìn)行二值化處理，填充缺損的汽泡，檢測(cè)汽泡的邊緣，獲得完整的汽泡結(jié)構(gòu)；3) 汽泡特征參數(shù)提取部分，通過氣液界面捕捉，獲得汽泡的脫離周期、脫離速度和汽膜厚度。采用圖像處理分析程序?qū)D2中的圖像進(jìn)行處理后得到二值化的汽泡結(jié)構(gòu)，如圖3所示。為避免非加熱表面下方停留的汽泡對(duì)數(shù)據(jù)的干擾，圖像處理程序只提取了加熱表面下方的汽泡信息，而非將加熱表面下方的汽泡通過背景圖像運(yùn)算消除掉。

電加熱器尺寸、熱電偶插孔孔徑以及插孔與換熱表面的距離使用游標(biāo)卡尺測(cè)量，測(cè)量精度為±0.02 mm，熱電偶測(cè)溫的測(cè)量精度為±0.5 ℃，實(shí)驗(yàn)過程中的誤差主要來自于晶閘管整流器調(diào)節(jié)功率所造成的波動(dòng)和熱電偶測(cè)溫誤差。熱流密度的不確定度為4.0%。表面溫度的不確定度為5.0%。高速攝像機(jī)圖像分析表明，圖像精度為0.2 mm/像素，汽膜厚度的精度取決于兩個(gè)因素：高速攝像機(jī)圖像基于像素的尺寸標(biāo)定的準(zhǔn)確性和氣液界面的測(cè)定，借鑒文獻(xiàn)[15]的分析方法，蒸汽層厚度的不確定度小于10%。

圖2 θ=5°、q=945 kW/m2時(shí)的沸騰換熱汽泡行為Fig.2 Bubble dynamic behavior with q=945 kW/m2 and θ=5°

圖3 θ=5°、q=945 kW/m2時(shí)二值化處理后的汽泡Fig.3 Binary image of bubble dynamic behavior with q=945 kW/m2 and θ=5°

2 結(jié)果分析與討論

為獲得汽泡脫離周期，須提取覆蓋在加熱表面下的汽泡的面積，通過汽泡在加熱表面下占有的面積波動(dòng)情況來計(jì)算汽泡的脫離周期。本文將汽泡所占用的面積除以加熱表面的長(zhǎng)度定義為汽膜厚度。選擇分析時(shí)間段為8 s，8 s內(nèi)可包含數(shù)十個(gè)汽泡脫離周期。圖4為θ=5°、q=945 kW/m2時(shí)汽膜厚度和汽泡脫離速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。汽膜厚度的平均值約為40 mm，最小值為16 mm，最大值為67 mm，由于加熱表面處于旺盛的核態(tài)沸騰區(qū)，加熱表面始終有汽泡周期性地產(chǎn)生、聚合、向四周擴(kuò)散，最終脫離。通過統(tǒng)計(jì)8 s內(nèi)汽膜厚度的波動(dòng)周期可得到θ=5°、q=945 kW/m2時(shí)汽泡脫離周期為0.27 s。汽泡法向脫離速度定義為前后兩次汽泡覆蓋面積的差值除以時(shí)間，汽泡脫離速度最高可達(dá)0.7 m/s，最低為-0.4 m/s，負(fù)號(hào)表示汽泡厚度減小。

采用相同的圖像處理方法對(duì)傾角(5°、30°、45°、60°和90°)在不同熱流密度下的汽泡動(dòng)態(tài)圖像處理后，得到汽泡脫離周期隨熱流密度的變化，如圖5所示。汽泡脫離周期隨熱流密度的增大呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)熱流密度大于400 kW/m2時(shí)，汽泡脫離周期基本穩(wěn)定，最終維持在一穩(wěn)定值。隨著傾角的增大，汽泡脫離周期逐漸減小，其中傾角為5°時(shí)，汽泡脫離周期穩(wěn)定在約0.27 s；傾角為30°、45°、60°和90°時(shí)，汽泡脫離周期分別穩(wěn)定在0.21、0.19、0.15和0.13 s?？煽闯?，傾角越小，汽泡脫離周期越長(zhǎng)，這與文獻(xiàn)[19]中的蒸汽膜結(jié)構(gòu)和波浪蒸汽層結(jié)構(gòu)的汽泡觀察結(jié)果相互佐證。不同的汽泡結(jié)構(gòu)對(duì)換熱表面沸騰換熱的機(jī)理有著本質(zhì)的區(qū)別，對(duì)于傾角較小的蒸汽膜結(jié)構(gòu)，由于加熱表面朝下對(duì)汽泡脫離造成嚴(yán)重的阻礙，汽泡只能在加熱表面附近持續(xù)長(zhǎng)大并相互聚合生成大汽泡，直到汽泡尺寸大過朝下表面尺寸時(shí)，汽泡才以大汽泡的形態(tài)逃逸換熱表面，冷卻水迅速潤(rùn)濕換熱表面，開啟新一輪汽泡生長(zhǎng)周期，因此蒸汽膜結(jié)構(gòu)的脫離周期相對(duì)較大，沸騰危機(jī)更易發(fā)生。然而，波浪蒸汽層結(jié)構(gòu)由于汽泡脫離過程中呈波浪型，因此在波谷的位置，冷卻水可較好地潤(rùn)濕換熱表面，這與蒸汽膜結(jié)構(gòu)中冷卻水必須等大汽泡脫離后再潤(rùn)濕換熱表面的機(jī)理完全不同，波浪蒸汽層結(jié)構(gòu)這種動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕表面可延緩沸騰危機(jī)的發(fā)生，因此傾角較大時(shí)的CHF相對(duì)更高。

圖4 θ=5°、q=945kW/m2時(shí)汽膜厚度和汽膜脫離速度隨時(shí)間的變化Fig.4 Vapor film thickness and departure velocity with q=945 kW/m2 and θ=5°

圖5 汽泡脫離周期隨熱流密度和傾角的變化Fig.5 Bubble departure period vs heat flux and angle

圖6 平均汽膜厚度隨熱流密度的變化Fig.6 Average vapor film thickness vs heat flux

圖6統(tǒng)計(jì)了平均汽膜厚度隨熱流密度和傾角的變化，可看出各傾角下的平均汽膜厚度隨熱流密度而增大，但傾角的變化對(duì)其影響沒有明顯的規(guī)律，主要原因是數(shù)字圖像處理方法只統(tǒng)計(jì)了汽泡側(cè)面的信息，而未統(tǒng)計(jì)汽泡正面的信息，如圖7所示，聚合的大汽泡不僅沿垂直于加熱面的法向方向生長(zhǎng)，而且沿平行于加熱面的四周生長(zhǎng)，所以汽膜的平均厚度統(tǒng)計(jì)不能完全等同于整體汽膜厚度，但可反映出汽膜厚度的變化規(guī)律。從圖6可看出，在各傾角下，熱流密度增大到一定值后，平均汽膜厚度會(huì)明顯降低，這是因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)生了沸騰危機(jī)，核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰，平均汽膜厚度迅速減小。核態(tài)沸騰時(shí)，汽泡周期性地長(zhǎng)大、聚合和脫離，汽膜厚度周期性地變化；而發(fā)生沸騰危機(jī)后，加熱表面覆蓋1層穩(wěn)定的汽膜(≤10 mm)，汽膜厚度小幅波動(dòng)。因此，通過監(jiān)視汽膜厚度的變化也可判別沸騰危機(jī)的到來。

圖7 傾角θ=60°時(shí)汽泡正面照片F(xiàn)ig.7 Front view of bubble at θ=60°

3 結(jié)論

1) 基于Matlab軟件開發(fā)了專門針對(duì)加熱平板表面朝下的可識(shí)別氣液兩相流的程序，通過該程序可獲得氣液界面變化、汽膜厚度、汽泡脫離周期、汽泡脫離速度等特征參數(shù)。

2) 加熱溝槽結(jié)構(gòu)表面朝下的汽膜脫離周期隨熱流密度的增大而減小，當(dāng)熱流密度大于400 kW/m2時(shí)，脫離周期趨于穩(wěn)定值；汽膜脫離周期隨傾角的增大而減小，當(dāng)傾角從5°增大至90°時(shí)，汽膜脫離周期由0.27 s減小至0.13 s。定量分析結(jié)果佐證了蒸汽膜結(jié)構(gòu)和波浪蒸汽層結(jié)構(gòu)的沸騰換熱機(jī)理的假設(shè)。

3) 加熱表面朝下核態(tài)沸騰時(shí)汽膜厚度隨熱流密度的增大而增大，當(dāng)發(fā)生沸騰危機(jī)后，汽膜厚度迅速減小，在換熱表面形成一層穩(wěn)定的汽膜，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)汽膜厚度的變化可判斷加熱表面的沸騰狀態(tài)。