《Progress in Nuclear Energy》：Experimental study on geyser boiling parameter characteristics in vertical sodium heat pipes
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汽蚀沸腾特性在垂直钠热管中受输入功率、充液比和蒸发段长度影响显著，实验发现充液比和蒸发段长度增加可抑制大气泡形成并降低系统波动，输入功率与蒸汽生成量呈非线性关系。
Youlan Yuan|Zaiyong Ma|Yugao Ma|Zheng Zhou|Luteng Zhang|Simiao Tang|Liangming Pan
教育部低品位能源利用技术与系统重点实验室，重庆大学，重庆，400044，中国
摘要
液体池的状态对于垂直钠热管的稳定运行至关重要。垂直钠热管池区域内的喷泉沸腾现象会导致显著的温度和压力波动，这可能对传热和结构安全产生负面影响。本文通过实验研究了输入功率、填充比和蒸发器长度对垂直钠热管中喷泉沸腾特性的影响，包括平均振荡周期、振幅、气泡大小和蒸汽生成量。结果表明，随着加热功率的增加，平均振荡周期和振幅均减小，因为在较低加热功率下系统倾向于表现出非周期性的喷泉沸腾现象，从而导致更大的振荡周期和振幅。较高的填充比可以显著缩短振荡周期，表明在相同的时间间隔内发生更多的振荡周期。理论分析与实验观察相结合表明，喷泉沸腾过程中气泡直径主要在0.9到2.3倍热管内径之间变化。增加填充比和蒸发器长度可以抑制大气泡的形成，从而显著减少系统波动。同样，当填充比从41.67%增加到83.33%时，气泡大小随时间的变化变得较小。基于温度振荡推断的蒸汽生成量，提出了一个无量纲的蒸汽生成因子f来表征每个气泡释放的蒸汽生成量。因子f通常较低，并且与加热功率没有简单的单调关系。在较低填充比下，它显示出增强的不稳定性，并且对蒸发器长度有非单调的依赖性，在350毫米附近达到峰值。
引言
热管反应器具有简单的结构设计，没有复杂的循环回路，具有高功率密度、出色的运行稳定性和固有的被动安全特性，使其非常适合用于月球表面基地、深海探索和移动式地面电源系统等应用（Yu等人，2019年）。热管的性能和安全性对反应器系统的整体可靠性至关重要。当热管底部存在液体池时，输入到蒸发器的热量可能导致气泡形成，从而引发喷泉沸腾现象。这种现象可能会引起严重的温度波动，从而导致金属结构的热疲劳损伤。
由于热管出色的传热能力，它们已经被广泛研究，而喷泉沸腾现象也引起了研究人员的极大关注。在现有的关于喷泉沸腾机制的研究中，Faghri的解释（Faghri，1995年）被广泛接受。根据他的解释，喷泉沸腾本质上是由热量输入不足引起的不稳定核化沸腾行为。这一循环过程可以描述如下：在热管启动或稳定运行期间，蒸发器的液体池区域无法维持稳定的核化沸腾。液体温度持续上升，直到过热，从而形成蒸汽气泡。这些气泡吸收热量，生长并从壁面脱离。当它们向冷凝器移动时，气泡会聚集成与管道内径相当大小的蒸汽团块。上升的蒸汽柱将液体向上推，冲击冷凝器末端，导致显著的温度波动。经过冷凝和液体回流后，液体池再次过热，生成新的气泡，形成一个典型的喷泉沸腾循环。
在机制层面上，喷泉沸腾现象已经被很好地理解，研究重点转向了识别影响其发生的关键参数。现有研究表明，填充比、蒸发器和冷凝器的几何尺寸、倾斜角度以及加热功率都应对喷泉沸腾的特性产生显著影响。
He等人（2022年）报告称，较高的填充比可能会促进流动模式从团块型喷泉沸腾转变为气泡型流动，而适当的填充比有助于保持系统稳定性。Xu等人（2023年）的实验结果进一步表明，增加加热功率可能会提前触发喷泉沸腾的开始，而较高的填充比可以减轻其强度。Li等人（2019年）发现，热管内的温度波动应强烈依赖于加热功率和填充比，两者增加都可以有效减少温度波动。Huang等人（Pei-Hsun等人，2024年）使用X射线可视化技术研究了钠热管的内部沸腾行为，并指出过低的填充比会导致蒸发器过热，而过高的填充比则可能引发强烈的喷泉沸腾和温度波动。在中等填充比下获得了最佳性能。这一结果可能得到了Zhao等人（2022年）实验结果的支持，他们观察到在低填充比下有喷泉温度波动，在中等填充比下有连续沸腾，在高填充比下有周期性往复波动。
倾斜角度和加热功率也是影响喷泉沸腾的关键参数。Ahmed A等人（Alammar等人，2017年）通过实验表明，加热功率、倾斜角度和填充比的变化可能会导致振荡周期和振幅的显著变化。Yang等人（2022年）的实验表明，对于碱金属热管，在高填充比条件下，45°或90°的倾斜角度下可能会发生明显的喷泉沸腾。Guo等人（2018年）和Wang等人（2021年）进一步指出，倾斜角度可能对系统温度波动产生实质性影响；随着角度的增加，蒸发器和冷凝器之间的温度波动可能会变得更加明显，有时还会伴随声学现象。Ma等人（Ma等人，2022年）发现，倾斜角度对喷泉沸腾的周期和振幅的影响也可能与加热功率密切相关，最初会增加，随后会减少。
此外，结构尺寸在喷泉沸腾行为中也起着重要作用。Zhang等人（2020年）观察到，当冷凝器长度为300毫米时，热管的壁温可能会出现明显的周期性波动，而缩短冷凝器长度可能会有效抑制喷泉沸腾。Yang等人（2025年）进一步指出，在一定的功率范围内，加热功率、倾斜角度和蒸发器长度可能会产生强烈的耦合效应，共同决定喷泉沸腾的起始特性和稳定性。
目前对高温热管的研究主要依赖于外壁温度测量，内部压力和温度数据的获取有限。因此，喷泉沸腾的特征参数尚未完全揭示。本文通过内部测量实验分析了垂直钠热管中喷泉沸腾的关键参数特性，特别关注平均振荡参数、气泡大小和蒸汽生成量的演变。这些发现可能有助于理解垂直钠热管中的喷泉沸腾机制。
实验系统
用于研究垂直钠热管喷泉沸腾特性的实验系统如图1所示，它由五个主要组件组成：钠热管、钠储存罐、加热系统、气体系统和数据采集系统。
加热系统由一根电阻加热丝和直流（DC）电源组成。电阻加热丝由高温镍铬合金制成，均匀缠绕在蒸发器上
喷泉沸腾的典型运行条件
在喷泉沸腾的典型运行条件（加热功率：880瓦，填充比：41.67%，蒸发器长度：240毫米）下，温度和压力随时间的变化如图4所示。可以观察到温度和压力的变化可以分为三个阶段。在0-200秒内，热管的外壁温度迅速且线性上升。在200-450秒内，蒸发器温度的上升速度变慢，液体池的温度出现急剧下降
结论
在这项研究中，通过内部测量实验研究了垂直钠热管中喷泉沸腾的关键参数，特别关注平均振荡参数、气泡大小和蒸汽生成量的演变。根据实验结果和分析，可以得出以下结论：
1.在喷泉沸腾条件下，液体池中可以观察到显著的温度和压力波动。
CRediT作者贡献声明
Youlan Yuan：撰写——初稿，数据整理。Zaiyong Ma：撰写——审稿与编辑，监督。Yugao Ma：监督。Zheng Zhou：数据整理。Luteng Zhang：监督，研究。Simiao Tang：监督，研究。Liangming Pan：监督，资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们与提交的论文“垂直钠热管中喷泉沸腾参数特性的实验研究”没有利益冲突。我们声明与所提交的工作没有任何商业或关联利益冲突。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：12305194、12305174）、中国博士后科学基金（编号：2023M730397）和重庆市自然科学基金（编号：2023NSCQ-BHX0243）的支持。
