密度波不稳定性是工业设备中常见的流动不稳定性。沸腾流道受到干扰后,若蒸发率发生周期性变化,即空泡份额发生周期性变化,导致两相混合物的密度发生周期性的变化。随着流体流动,形成周期性变化的两相混合物密度波动传播,这称为密度波不稳定性(Density wave instability,DWI)(或空泡波)不稳定性,也可称为流量-空泡反馈不稳定性。
假设流入通道的流体入口焓值、加热功率和通过沸腾通道的总压降不变。若沸腾通道的入口受到扰动,入口流量发生瞬时波动减少,因为加热功率保持不变,靠近入口处的焓升会增大,设变化量为δh。焓升增大,设在单相流动区域压降变化量为δΔp1λ;在两相流动区域压降变化量为δΔp2λ;同时,由于焓升增大,蒸发率增大,产生更多蒸汽,从而使空泡份额增大,设为δα。空泡增多,使两相流区域压降进一步增大,设其为δΔp2α。同时,设空泡份额变化而导致的单相流动区域的压降变化为δΔp1α。而由于通过沸腾通道的总压降保持不变,即(δΔp1λ+δΔp1α)+(δΔp2λ+δΔp2α)=0,设 δΔp1λ+δΔp1α=δΔp1,δΔp2λ+δΔp2α=δΔp2,则δ(Δp1+Δp2)=0。所以由于两相流动区域扰动而产生的压降变化会导致单相流动区域产生相反的压降变化,单相流动区域压降减小,反馈到入口的流体流动即为入口流量增大。入口流量增大,则会导致与上述过程相反的过程,最终反馈到入口的变化即为入口流量减小。在一定的边界条件下,以上过程将会循环发生,进口流量扰动与出口压力扰动的相位可以相差180°,产生自持振荡,即流体密度(或空泡份额)发生周期性变化。这种因扰动而导致的两相混合物密度发生的周期性变化称为密度波型脉动或称为密度波不稳定性。密度波型脉动为低频脉动,频率通常小于1 Hz,通常情况下其脉动周期为流体流经加热流道所需时间的1~2倍。(www.daowen.com)
密度波不稳定性一般发生在沸腾流道的内部特性曲线的负斜率区和入口液体密度与出口两相混合物密度相差很大的工况。
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