快速減壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均勻溫度場(chǎng)中的氣泡生長行為被高速攝像機(jī)捕捉，進(jìn)而建立氣泡界面熱傳遞系數(shù)與雷諾數(shù)、雅可比數(shù)的定量關(guān)聯(lián)模型。
1. 實(shí)驗(yàn)背景
核反應(yīng)堆冷卻劑失水事故中，堆芯內(nèi)的冷卻水因壓力驟降瞬間過熱并產(chǎn)生蒸汽氣泡。氣泡的生成與生長不僅直接影響傳熱效率，也決定反應(yīng)堆在事故下的熱工穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)熱電偶與壓力傳感器難以實(shí)時(shí)解析毫秒級(jí)的氣泡相變過程及氣泡形變與熱力學(xué)參數(shù)之間的耦合關(guān)系。
重慶大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，采用中科君達(dá)視界提供的千眼狼高速攝像機(jī)，配合高精度時(shí)間同步系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套可視化快速減壓實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)減壓過程中氣泡瞬態(tài)演化進(jìn)行可視化研究并建立氣泡界面熱傳遞系數(shù)模型。
2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置：
高壓釜：實(shí)驗(yàn)在課題組自行設(shè)計(jì)的可視化高壓釜系統(tǒng)中進(jìn)行，可耐壓4.4 MPa，內(nèi)部裝有加熱棒和底部加熱板，用于維持液體在接近飽和溫度的均勻熱場(chǎng)狀態(tài)。
高速成像與同步采集系統(tǒng)：千眼狼高速攝像機(jī)，1280×1024 @6800 fps；時(shí)間同步系統(tǒng)用于同步觸發(fā)高速攝像機(jī)和壓力釋放。
圖像處理軟件，用于提取氣泡輪廓、半徑、位置與速度。
圖1 可視化快速減壓實(shí)驗(yàn)裝置
2.2 實(shí)驗(yàn)流程：
總共進(jìn)行32組減壓實(shí)驗(yàn)，壓力范圍0.20~2.93 MPa，液體初始溫度 393~514 K。
I. 加熱去離子水至飽和溫度；
II. 快速減壓，使液體進(jìn)入過熱狀態(tài)；
III.氣泡在加熱板上生成并上浮至觀察窗口；
IV. 利用高速攝像機(jī)記錄氣泡生長過程，同步采集壓力與溫度數(shù)據(jù)。
V. 利用圖像處理軟件提取氣泡輪廓，計(jì)算面積與半徑。
VI. 實(shí)時(shí)同步熱力學(xué)參數(shù)，用于傳熱系數(shù)分析。
3. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.1 氣泡生長行為
下圖展示了一個(gè)氣泡30 ms內(nèi)生長過程中的半徑、位置與過熱度變化。高速攝像機(jī)捕捉到的序列圖像顯示，加熱板表面氣泡最初呈球形，等效直徑0.6 mm；8 ms氣泡形態(tài)從球形向橢球形轉(zhuǎn)變，等效直徑增大一倍；18 ms，帽狀氣泡形成；28 ms，氣泡生長趨于完成，等效直徑穩(wěn)定約2.8 mm。
圖2 工況0.38 MPa,液體溫度413.7 K,最終壓力 0.48 MPa，過熱度 5.9K。
3.2 界面熱傳遞系數(shù)計(jì)算
依據(jù)能量守恒，界面熱傳遞系數(shù)由下列公式計(jì)算：
利用高速圖像得到R(t)與壓力-溫度同步數(shù)據(jù)，可計(jì)算瞬時(shí)ht 再取時(shí)間平均得到平均系數(shù)h。
3.3 傳熱關(guān)聯(lián)式
通過回歸分析得到實(shí)驗(yàn)擬合關(guān)聯(lián)式：
其中平均相對(duì)誤差 (MAPE) 為 16.6%，相關(guān)系數(shù) R2=0.86。
與Saha(MAPE 23.8%)及Wolfert（MAPE 49.2%）模型相比，新關(guān)聯(lián)式能更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣泡生長過程中的熱傳遞強(qiáng)度。
4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
I. 通過千眼狼高速攝像機(jī)高幀率與同步觸發(fā)系統(tǒng)，捕捉到氣泡在毫秒尺度下的形態(tài)演化，并實(shí)現(xiàn)了形變數(shù)據(jù)與熱力學(xué)信號(hào)的亞毫秒級(jí)對(duì)齊，為界面熱傳遞定量計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
II. 研究建立了新的氣泡界面熱傳遞關(guān)聯(lián)式，模型考慮了蒸汽膨脹功影響，更符合快速減壓條件下的物理實(shí)況，系統(tǒng)誤差優(yōu)于傳統(tǒng)模型。
III. 高速攝像技術(shù)結(jié)合精密同步系統(tǒng)，同樣適用于微通道冷卻、兩相流沸騰、核汽蝕等復(fù)雜相變過程研究，為數(shù)據(jù)模擬模型提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
電話：400-859-1866
地址：安徽省合肥市包河富煌新視覺大廈
微信公眾號(hào)
官方抖音
400-859-1866