本课题宋保银研究团队[18]已对侧载和加热方位对矩形通道内临界热流密度的影响进行了研究。为了进一步研究逆载对临界热流密度的影响，本文采用去离子水作为流动工质，对处于静止和逆载状态下的窄矩形通道内的汽水两相流临界热流密度进行了实验研究，主要考察临界状态下管道内压差和质量流速随逆载的变化以及逆载大小、质量流速和进口过冷度对临界热流密度的影响。
1 实验设备及研究方法 实验系统简图如图 1所示。在一个可旋转的平台上建立一个封闭的流体循环系统，加热系统、实验测试系统、数据采集系统。流体循环系统由水箱、节流阀、水泵、涡轮流量计、电动阀门、实验段、冷凝器及连接导管组成，流体介质采用去离子水。其中涡轮流量计安装在平台中心，以减小离心力的影响。流体从水箱中经过节流阀、通过水泵输送进管路，经涡轮流量计流到预热段预热，然后进入实验段，在实验段管道里继续加热至沸腾，流出后是汽水两相的混合流或单相蒸汽，通过冷凝器将其冷却成单相液体，最后流回水箱继续循环使用。其中流体在试验段沿转台径向由外向内流动。
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| 图 1 实验系统简图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus |
| 图选项 |
转台在旋转过程中，实验段管道内的流体会受到离心力 (逆载)、重力和哥氏力的作用，且三者方向相互垂直。在水平面上，哥氏加速度的方向与实验段管道垂直，液体受到侧向哥氏力的作用，由哥氏加速度的计算公式 (1) 得到表 1中不同逆载下的哥氏加速度的值，相较于离心力，哥氏力较小，且随着离心力的增大，哥氏力与离心力的差越大 (在逆载为2.5g时，哥氏力约为离心力的1/6，其中g=9.8 m/s2)。哥氏力对流体质点水平方向运动的影响较小，从而对质点间换热的影响也较小，所以此次实验，逆载作用为主，未考虑哥氏力和转台振动的影响。
表 1 不同逆载下的加速度值 Table 1 Acceleration values under different inverse loads
| 逆载/g | 向心加速度/(m·s-2) | 哥氏加速度/(m·s-2) |
| 0 | 0 | 0 |
| 0.5 | 4.9 | 2.0 |
| 1.0 | 9.8 | 2.5 |
| 1.5 | 14.7 | 3.9 |
| 2.0 | 19.6 | 4.1 |
| 2.5 | 24.5 | 4.6 |
表选项
哥氏加速度：
 | (1) |
式中：ω为转台角速度，rad/s；vr为实验段管道中心点的旋转切线速度，m/s。
实验段结构如图 2所示，管道在上，加热面在下，矩形管道由耐高温透明的高硼硅钢化玻璃组成，其截面尺寸宽×高为4 mm×10 mm，长度为400 mm。加热块采用长为400 mm的无氧纯铜，在其一侧面开有上下对应的5对 (1，2，3，4，5) 直径为2 mm、深为10 mm的圆孔，距离左侧面进口处的距离分别为10、105、200、295和390 mm，距离上表面的距离分别为2 mm和12 mm，用于安装铠装Pt100铂热电阻。铜块内部插入2根镍铬合金加热棒，电阻值均为27.8 Ω。
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| 图 2 实验段简图 Fig. 2 Schematic diagram of test section |
| 图选项 |
铜块的底面和侧面用保温棉包裹，由于保温棉的导热系数极小，在忽略了被包裹铜块表面与周围空气的对流和辐射换热之后，铜块中加热棒产生的热量可近似认为向上单向传递，这样系统即可简化为一维导热。
导热热流量：
 | (2) |
导热热流密度：
 | (3) |
壁面温度：
 | (4) |
式中：φ为导热热流量，W；λ为铜块的导热系数，W/(m·K)；A为加热面的面积，m2；q为热流密度，W/m2；T1和T2为2个测点的温度，℃；Tw为加热表面温度，℃；δ1为两侧温点之间的距离, m；δ2为测温点与加热壁面之间的距离, m。
2 实验结果与分析 实验初始条件设置为入口过冷度ΔTc分别保持在20 ℃和30 ℃，质量流速G=220~417 kg/(m2·s)，考虑到实验的可行性及转台旋转过程中管道散热的影响，逆载大小Gx=0g~2.5g。对于每一组实验，分别保持入口过冷度和质量流速不变，加热棒均匀加热，当测试点温度率化率突然增大并持续变大时，管道内流体达到临界状态，停止加热，同时记录实验数据。
2.1 壁面温度和热流密度随时间的变化 静止状态下，初始入口过冷度ΔTc=30 ℃、质量流速G=317 kg/(m2·s)。在管道静止状态下，点4处的壁面温度和热流密度随时间的变化如图 3所示，随着壁面温度的逐渐增高，热流密度逐渐增大，当壁面温度Tw发生突变时，即在时间t=380 s、Tw =150 ℃左右时，壁面温度变化率增大，管道内达到临界状态，此时计算得到的临界热流密度值qc=26 W/cm2。随后停止加热，由于热惯性影响，壁面温度还在持续升高，而测点处的温差减小，计算得到的热流密度值减小。
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| 图 3 壁面温度和热流密度随时间的变化 Fig. 3 Variation of wall temperature and heat flux with time |
| 图选项 |
管道内的流动沸腾由单相流动传热、过冷沸腾和饱和沸腾等过程组成。单相流换热主要依靠壁面与流体的对流换热。过冷沸腾，气泡的成核对壁面热边界和流动边界产生一定的扰动，换热由对流换热向相变换热转换。饱和沸腾，大量气泡产生，破坏了原有的边界层分布，核态沸腾占据主导地位，换热主要是相变换热。距离管道出口越近，Tw越大，管道越往后，液体温度较高，先达到饱和沸腾状态，液体与加热表面之间产生大量的气泡，且两者之间逐渐形成一层气膜或干斑，气膜导热系数较小，液体与壁面之间的换热量降低，导致壁面温度升高并发生突变。如图 4所示为2张同一管道内点4处在不同时刻的流动状态图。可以看到随着加热的进行，流体在壁面附近不断产生气泡，随着气泡的增多，聚合成一层薄的气膜或大的气泡层，此时加热壁面发生局部干涸现象。
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| 图 4 管道内临界沸腾状态影像 Fig. 4 Image of critical boiling state in tube |
| 图选项 |
2.2 管道内流动参数随时间的变化 静止状态下，初始入口过冷度ΔTc=30 ℃、质量流速G=417 kg/(m2·s)，图 5所示为管道内的进出口压差和质量流速随记录时间的变化曲线。从图 4和图 5可以看到，管道内液体临界沸腾时，产生大量气泡，气泡导致管道堵塞，质量流速逐渐减小。又因为管道内温度升高、液体间的摩擦和液体与气泡之间的摩擦，使得流动阻力增大，进出口压差Δp逐渐增大，达到20 kPa。以上分析揭示管道内的进出口压差与质量流速的变化规律相反。
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| 图 5 管道内流体压降和质量流速随时间的变化 Fig. 5 Variation of fluid pressure drop and mass flow rate in tube with time |
| 图选项 |
2.3 管道内流动参数随逆载的变化 图 6所示为不同过冷度ΔTc=20℃和ΔTc=30℃所对应管道临界状态下的质量流速随逆载的变化。在逆载作用的起始阶段，质量流速快速降低。这是因为逆载作用在流体上产生较大的流动阻力，相对于静止状态，又增大了流体的流动阻力，在逆载大小达到Gx=1.5g之前，入口过冷度越大，质量流速减小得越慢，这是因为过冷度越大，液体吸收的热量越多，产生气泡越慢，流动阻力越小，对应的质量流速较大。在Gx达到1.5g之后，质量力的影响超过气泡壅塞的影响，结果过冷度大的流体由于其密度较大，质量力引起的阻力使得其质量流速减小得更快，即逆载对流体阻力的影响要超过了气泡阻力的影响。
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| 图 6 质量流速随逆载的变化 Fig. 6 Variation of mass flow rate with inverse load |
| 图选项 |
图 7所示为在不同的进口初始条件下，管道内流体达到临界状态时，进出口压差随着逆载作用的变化曲线，从图 7(a)中可以看出随着逆载的增大，进出口压差随之增大。在初始进口质量流速G=317 kg/(m2·s)、不同过冷度条件下，压差随逆载的变化曲线与图 6所示的质量流速随逆载的变化曲线相照应，压差随着逆载的增大而增大，不同过冷度的变化曲线在Gx=1. 5g左右发生交叉现象。图 7(b)显示，在质量流速较大时，尽管进口流体的过冷度不同，其进出口压差随逆载增大而增大的趋势相类似，没有出现交叉现象。这也表明质量流速的取值对管道内的压差变化趋势具有一定的影响。
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| 图 7 进出口压差随逆载的变化 Fig. 7 Variation of fluid pressure difference with inverse load |
| 图选项 |
2.4 质量流速、入口过冷度及逆载对临界热流密度的影响 图 8所示为在不同的逆载作用、质量流速和入口过冷度条件下，管道内的临界热流密度值变化曲线。临界热流密度随着逆载作用的增大而增大。本实验条件下，逆载作用从Gx=0g增大到Gx=2.5g，临界热流密度值提高了约50%。图 8(a)表明，在相同的质量流速下，随着逆载作用的增大，管道内的入口过冷度越大，临界热流密度值提高得也越多。图 8(b)显示，在相同的入口过冷度条件下，质量流速越大，临界热流密度值也越大。图 8(c)则表明，在相同的逆载作用下，质量流速越大，临界热流密度值越大。图 8还表明，逆载对临界热流密度的影响远大于其他因素的影响。
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| 图 8 不同条件下临界热流密度的变化 Fig. 8 Variation of critical heat flux under different conditions |
| 图选项 |
饱和沸腾换热是以气泡的相变潜热为主要的传热方式，其传热过程与气泡的生成频率、脱离直径、通道宽度、工质入口过冷度和质量流速有关。逆载作用在流体上，增强了管道内的流动阻力以及液体与气泡之间的扰动情况，且逆载越大，阻力越大，扰动越明显，使得液体与液体、液体与气泡之间的摩擦加剧。同时流体液相在逆载质量力作用下冲刷加热壁面上的气泡，加大了气泡的脱离速度，使其难于形成气相膜或大的弹状气泡。气泡与气泡汇聚成大气泡加剧管道堵塞，导致管道内的压力升高，流体介质的物性参数发生变化，气泡更加难以产生，汽化吸热量减少，整体上管道内流体与加热壁面的换热量减少。入口过冷度相同时，流体的质量流速越大，扰动的影响就越小，要发生临界换热现象，必须在较大的加热功率下进行；质量流速相同时，入口过冷度越大，流动过程中吸收的热量就越多，产生的气泡量较少，不易发生气泡堵塞，达到临界换热状态就越难，临界热流密度就越大。而低质量流速、低入口过冷度的流体达到临界换热需要的热流密度相对较低，在逆载作用下的临界热流密度自然较低。
2.5 误差分析 在实验过程中，由于仪表精度、实验现场条件及观察测量等多种因素导致实验数据存在着误差。对于主要仪表测量参数的误差，根据量程、精度，数据采集模块的误差，采用传递公式 (5) 计算，结果如表 2所示。
表 2 主要测量仪器及参数误差 Table 2 Main measuring instruments and parameter errors
| 测量仪器 | 量程 | 精度 | 参数误差/% |
| 涡轮流量计 | 0~0.25 m3/h | 1.0% | 1.1 |
| 压力传感器 | 0~1 MPa | 0.5% | 0.51 |
| Pt100热电阻 | -200~420 ℃ | ±0.1 ℃ | 0.32 |
表选项
 | (5) |
式中：r为n个独立变量x1，x2，…，xn的函数，各自的测量误差分别为ω1，ω2，…，ωn。
3 结论 本文利用旋转实验台及流动沸腾装置，对矩形管道内汽水两相流临界换热参数进行了实验测量，并对实验数据进行分析和处理，得到了不同状态下管道内各点的热流密度及管道内流动参数和临界热流密度的变化曲线。在本文设定的初始条件下，通过对曲线的分析得出以下结论：
1) 随着加热时间的持续，压差与质量流速的变化趋势相反。压差随着入口过冷度的增大而减小，随着入口质量流速的增大而增大。
2) 逆载的作用一方面促进汽泡分离，提高临界热流密度；另一方面增大流体的流动阻力，逆载越大，在窄通道内饱和沸腾状态下，加上气泡的堵塞，容易造成回流，使质量流速减小，压差增大。
3) 在相同的质量流速和过冷度条件下，临界热流密度值随着逆载作用的增大而增大；在逆载Gx=0g~2.5g作用下，qc值分别随着质量流速、过冷度的增大而增大；且逆载对qc值影响的贡献最大，可提高50%以上。
参考文献
| [1] | DENG D, WAN W, TANG Y, et al. Experimental investigations on flow performance of reentrant and rectangular micro-channels-A comparative study[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 82: 435–446.DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.11.074 |
| [2] | 盛程, 周涛, 琚忠云, 等. 矩形通道临界热流密度计算模型的实验评价[J].核动力工程, 2014, 35(1): 52–55. CHENG C, ZHOU T, JU Z Y, et al. Experimental evaluation of critical heat flux calculation models of rectangular channel[J].Nuclear Power Engineering, 2014, 35(1): 52–55.(in Chinese) |
| [3] | 罗小平, 唐杨. 矩形微槽道饱和沸腾临界热流密度特性[J].低温与超导, 2010, 38(6): 66–70. LUO X P, TANG Y. Properties of saturated flow boiling critical heat flux through rectangular micro-channel[J].Low Temperature and Superconductivity, 2010, 38(6): 66–70.(in Chinese) |
| [4] | 刘振华, 杨荣华, 秋雨豪. 倾斜管内自然对流沸腾临界热流密度的研究[J].航空动力学报, 2004, 19(3): 342–345. LIU Z H, YANG R H, QIU Y H, et al. Critical heat flux during natural convection boiling in inclined tubes[J].Journal of Aerospace Power, 2004, 19(3): 342–345.(in Chinese) |
| [5] | KONISHI C, MUDAWAR I, HASAN M M. Investigation of the influence of orientation on critical heat flux for flow boiling with two-phase inlet[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 61(6): 176–190. |
| [6] | ZHANG H, MUDAWAR I, HASAN M M. Experimental and theoretical study of orientation effects on flow boiling CHF[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45(22): 4463–4477.DOI:10.1016/S0017-9310(02)00152-7 |
| [7] | TIBIRICA C B, SZCZUKIEWICZ S, RIBATSKI G, et al. Critical heat flux of R134a and R245fa inside small-diameter tubes[J].Heat Transfer Engineering, 2013, 34(3): 492–499. |
| [8] | 潘杰, 杨冬, 肖荣鸽, 等. 低干度流动沸腾临界热流密度预测模型[J].核动力工程, 2013, 34(4): 58–63. PAN J, YANG D, XIAO R G, et al. Critical heat flux prediction model for flow boiling of low quality flow boiling[J].Nuclear Power Engineering, 2013, 34(4): 58–63.(in Chinese) |
| [9] | 刘腾, 钱吉裕, 孔祥举, 等. 低干度两相流工质在矩形流道冷板内的换热特性实验研究[J].西安交通大学学报, 2015, 49(1): 59–64. LIU T, QIAN J Y, KONG X J, et al. Experimental study on the heat transfer performance of the low quality two-phase working medium in cool plat evaporation with rectangular channels[J].Journal of Xi'an Jiaotong University, 2015, 49(1): 59–64.DOI:10.7652/xjtuxb201501010(in Chinese) |
| [10] | 郭亚军, 徐应坤, 毕勤成, 等. 竖直方管内两相流动临界热流密度的实验研究[J].西安建筑科技大学学报, 2013, 45(1): 126–129. GUO Y J, XU Y K, BI Q C, et al. Experimental study on critical heat flux of two-phase flow in a vertical square tube[J].Journal of Xi'an University of Architecture and Technology, 2013, 45(1): 126–129.(in Chinese) |
| [11] | 卢冬华, 黄彦平, 白雪松. 高流速下窄矩形通道内临界热流密度试验研究[J].核动力工程, 2004, 25(2): 118–122. LU D H, HUANG Y P, BAI X S. Experimental investigation on the critical heat flux of rectangular channel with narrow gap under high mass velocity[J].Nuclear Power Engineering, 2004, 25(2): 118–122.(in Chinese) |
| [12] | 李卓, 俞坚, 夏国栋, 等. 水平矩形小通道内气-液两相流摩擦压降的研究[J].工程热物理学报, 2006, 27(Suppl.1)): 185–189. LI Z, YU J, XIA G D, et al. Frictional pressure drop of gas-liquid two-phase flow in small horizontal rectangular channels[J].Journal of Engineering Thermophysics, 2006, 27(Suppl.1)): 185–189.(in Chinese) |
| [13] | TRAN T N, CHYU M C, WAMBSGANSS M W.. Two-phase pressure drop of refrigerants during flow boiling in small channels:An experimental investigation and correlation development[J].International Journal of Multiphase Flow, 2000, 26(11): 1739–1754.DOI:10.1016/S0301-9322(99)00119-6 |
| [14] | 庞凤阁, 高璞珍, 王兆祥, 等. 摇摆对常压水临界热流密度 (CHF) 影响实验研究[J].核科学与工程, 1997, 17(4): 367–372. PANG F G, GAO P Z, WANG Z X, et al. Experimental study on the influence of rolling movement on the critical heat flux (CHF) of atmospheric water[J].Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering, 1997, 17(4): 367–372.(in Chinese) |
| [15] | MA Y, CHUNG J N. An experimental study of critical heat flux in microgravity forced-convection boiling[J].International Journal of Multiphase Flow, 2001, 27(10): 1753–1767.DOI:10.1016/S0301-9322(01)00031-3 |
| [16] | 姚秋萍, 宋保银, 赵枚. 动载对管内汽水两相流流阻、空隙率和传热的影响[J].北京航空航天大学学报, 2010, 36(1): 43–47. YAO Q P, SONG B Y, ZHAO M. Effects of dynamic load on flow resistance, void fraction and heat transfer of steam-water two-phase flow in pipes[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2010, 36(1): 43–47.(in Chinese) |
| [17] | 李冈, 宋保银, 张钊, 等. 侧载对矩形通道内水流动特性影响的实验研究[J].制冷与空调, 2015, 29(3): 237–242. LI G, SONG B Y, ZHANG Z, et al. Experimental study of the effect of side load on flow characteristics of water flow in a rectangular channel[J].Refrigeration and Air Conditioning, 2015, 29(3): 237–242.(in Chinese) |
| [18] | 李冈, 宋保银, 张钊, 等. 侧载及加热方位对槽道内临界热流密度影响[J].航空动力学报, 2016, 31(1): 203–210. LI G, SONG B Y, ZHANG Z, et al. Influences of side load and heating orientation on critical heat flux in a rectangular groove[J].Journal of Aerospace Power, 2016, 31(1): 203–210.(in Chinese) |
