两相横流作用下的旋转三角形管束流弹失稳研究

为了较为准确的预测两相流作用下圆柱管的失稳临界流速，采用试验测量的两相流准稳态流体力系数，对单向流的准稳态模型进行扩展，建立了气-水两相流作用下的旋转三角形管束中间悬臂自由管的动力学模型，运用Galerkin方法对方程变量进行离散后，求解特征方程得到了不同空泡份额的临界流速，并运用龙格-库塔法求解动力学方程得到位移时程响应。数值结果表明，临界流速随着空泡份额的增大而增大，且所建模型计算结果与试验测量值较为吻合。因此，本研究所建模型可用于两相横流作用下的旋转三角形管束流弹失稳临界流速预测。      

支承板支撑多跨管束流致振动试验研究

本文针对支承板支撑4跨传热管直管束开展流致振动基础试验。试验件由49根旋转正三角形布置的模拟传热管组成,传热管两端固定,中间3处采用支承板支撑。试验测量获得了单向横流冲刷和双向横流冲刷下不同进口流速传热管束的振动特性,获得振幅、频率、临界雷诺数等关键信息。结果表明,双向横流冲刷下的传热管较单向横流冲刷下的在更低雷诺数下发生失稳,两种流动方式下传热管发生失稳时加速度峰值频率均为104Hz,该值与单跨两端固支模型的理论计算固有频率非常接近。研究结果可为传热管束流致振动数值模拟分析提供验证。     

蒸汽发生器传热管束流弹失稳现象中的基础力学问题研究

为探讨管束的流弹失稳机理以及支承方式、内流载荷对流弹失稳的影响机制,本文综合考虑定常流弹力、内流激励和非定常流体力对传热管流致振动的影响,建立了复杂流体激励作用下传热管流致振动的理论模型,通过特征值稳定性理论获得了两相横流作用下的传热管流弹失稳机制,系统地分析了内流激励和非定常流体力对传热管流弹失稳机制的影响。研究表明,支承方式会影响失稳临界流速,但不会影响流弹失稳机制;管内流会使管束各阶模态耦合,高速内流会改变管束的失稳机制;非定常流体力作为一种强迫力在流弹失稳之前,可能引起管束的“拍振”现象,在工程设计时应考虑避免。     

抗振条-传热管大间隙多跨直管束流致振动试验研究

针对抗振条-传热管大间隙的4跨传热管直管束开展了流致振动试验研究。传热管束转角正三角形排列,3处抗振条将直管束分为4跨,中间其中1跨的局部区域受到横向流体的冲刷。试验测试获得了管间流速在3.3～14.7 m/s区间内传热管振动位移和振动频率响应特性。结果表明,随着管间流速逐渐增大,传热管在来流方向和升力方向的振动频率依次增大,传热管的振动模态从抗振条1处有效支撑、2处未有效支撑的状态,转换为3处抗振条均有效支撑的状态。试验观测到传热管流弹失稳,其临界流速为14.5 m/s,与5种经验关系式预测结果的对比表明,Chen关系式能较好地预测流弹失稳的发生,预测结果较保守,与试验值间的相对偏差为21.4%。     

抗振条-传热管大间隙多跨直管束流致振动试验研究

针对抗振条-传热管大间隙的4跨传热管直管束开展了流致振动试验研究。传热管束转角正三角形排列,3处抗振条将直管束分为4跨,中间其中1跨的局部区域受到横向流体的冲刷。试验测试获得了管间流速在3.3～14.7 m/s区间内传热管振动位移和振动频率响应特性。结果表明,随着管间流速逐渐增大,传热管在来流方向和升力方向的振动频率依次增大,传热管的振动模态从抗振条1处有效支撑、2处未有效支撑的状态,转换为3处抗振条均有效支撑的状态。试验观测到传热管流弹失稳,其临界流速为14.5 m/s,与5种经验关系式预测结果的对比表明,Chen关系式能较好地预测流弹失稳的发生,预测结果较保守,与试验值间的相对偏差为21.4%。     

核电厂蒸汽发生器传热管束流弹失稳评价关键参数分析及实验研究

针对某压水型核电厂新研发蒸汽发生器的传热管，采用ASMEBPVC-Ⅲ推荐的半经验公式及相应参数取值，计算得到了悬臂传热管在空泡份额为0%（单相水）、10%、20%、50%、80%、90%下的流弹失稳临界流速。同时，设计开展了悬臂传热管阵在各空泡份额下的流致振动实验，测得了传热管流弹失稳临界流速、动水中的振动阻尼比及固有频率等关键参数。实验中测得的振动阻尼比主要包含了两相阻尼与粘滞阻尼，随空泡份额的变化而变化，范围为1.51%～3.98%，考虑测量不确定度后，该值可用于本文所述蒸汽发生器设计，且具有一定的保守性。分析结果表明，规范推荐的公式及参数计算所得传热管流弹失稳临界流速和实验结果趋势相同、规律一致，前者较后者有较大的保守性，安全系数在1.5以上；采用实验测得的阻尼比及固有频率重新计算得到的临界流速安全系数有所下降，但仍高于1.1。通过实验和分析，讨论了文中所述新研发核电厂蒸汽发生器传热管束流弹失稳评价关键参数取值及分析方法的合理性与保守性，可用于工程产品的设计及分析。     

低含汽量两相临界流动的研究

本文为深入了解压水堆失水事故,在低含汽量工况下的流动过程,对Ricbter两相流模型进行了改进,并利用分析和数值方法讨论了描述两相临界流的数学模型及具有热力学失衡特性的低含汽量的两相临界流动。研究结果表明,两相临界流模型的结构方程应包含场变量的导数项。虚拟质量力对临界流量的影响不大,但对流动参数的分布影响很大,关于相间能量传递的描述,本文也提出了改进的设想。     

汽液两相临界流动的热力学非平衡两流体模型

提出了热力学非平衡两流体临界流六方程模型，并对汽泡增长方程，流体状态方程和基本结构关系式进行了改进。利用本模型成功地预测了本试验中的实验结果，并利用前人的实验数据验证了其通用性。此外还利用本模型分析了在临界流动中各参数的变化及破口通道长径比、破口通道直径，起始汽泡密度和汽泡直径对两相临界质量流速的影响。     

两相临界流

临界流是在给定的上游条件下流速达到最大值的一种现象。这种现象在单相和两相流中均会发生。本文简单描述了临界流现象,介绍了目前工程中得到广泛应用的几种两相临界流计算模型,并对它们进行了分析讨论。     

低干度流动沸腾临界热流密度预测模型

基于近壁面气泡拥塞理论,针对高压力、低流速两相流动沸腾传热,建立适用于低蒸汽干度条件下的临界热流密度(CHF)预测模型。模型通过质量守恒方程进行气泡层与主流区域的极限流量传递计算,并采用能够考虑浮升力影响的气泡脱离直径计算公式以及一些现有的气泡脱离点、湍流速度分布和截面含气率等经验公式作为求解模型的本构方程。根据试验数据拟合得到气泡层临界含气率计算公式。模型的计算结果与试验数据吻合良好,在高压力、低流速条件下具有较高的预测精度。     

Modelling of fluidelastic vibrations of heat exchanger tubes with loose supports

The existence of gaps at tube supports necessitates time domain modelling of fluid forces to predict flow-induced vibrations and associated wear in heat exchangers and steam generators. This paper presents a new time-domain model for fluidelastic instability forces of tubes with loose-supports. In this model, the fluidelastic force, which is dependent on flow velocity and array geometry, is superimposed on the turbulence forcing function. The model was used to calculate the critical flow velocity, tube response, and tube/support interaction parameters, such as impact force and work rate. The critical velocity for linear cases was accurately predicted. The critical flow velocity for the loose support case was found to be sensitive to both the gap size and the turbulence level.     

管束结构的流致振动特性研究

为研究管束结构的流致振动问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,建立了正方形顺排排列弹性管束流固耦合系统的三维数值模型,并研究了不同弹性管束模型的流体力及振动响应特性。结果表明,管束结构的排列方式对流体力及动力学响应有很大的影响,5管模型能基本反映弹性管束的振动特性,而单管模型预测的临界速度较大,却可定性反映节径比为1.5正方形管束的流致振动特性。     

垂直上升管内对流沸腾瞬态数值模拟及其两相流不稳定性预测

核电站蒸汽发生器二次侧为两相对流沸腾换热过程,在设计过程中须保证其不发生两相流不稳定性。本工作采用时域法对垂直上升管内两相流不稳定性进行研究,建立了垂直上升直管内流动沸腾过程的一维模型,并编制计算程序。采用该程序模拟了流动沸腾过程气液两相流密度波的不稳定性,给出两相流波动过程瞬态参数分布,由此分析了密度波不稳定发生的机理,并分析了质量流速、系统压力、入口过冷度对不稳定的影响。结果表明,与已有实验及理论结果相比,瞬态参数计算结果与实验结果符合较好,可较好找到不同工况下直管内气液两相流发生不稳定的边界,结果优于Khabenski线算图方法。     

螺旋管蒸汽发生器流体弹性不稳定性简化分析

利用平面圆环模拟螺旋管结构，采用平面圆环动态固有特性解析结果，结合流体力概念，提出一种螺旋管蒸汽发生器失稳临界流速的简化解析分析方法。采用该方法对２０ＭＷ模型堆和２００ＭＷ模型堆进行了流体弹性不稳定性分析，并与采用直管流弹不稳公式的计算结果进行了比较。试验结果验证了本文方法的可靠性。     

The dependence of wall lubrication force on liquid velocity in turbulent bubbly two-phase flows

Based on the significance of a computational fluid dynamics (CFD) simulation of dispersed two-phase flow systems in many engineering fields, especially in nuclear energy systems, extensive analytical and numerical studies of wall lubrication force for vertical upward turbulent bubbly two-phase flow are presented. An analytical expression of the wall lubrication force considering the effect of liquid velocity is developed and analyzed. A numerical methodology for evaluating the wall lubrication force coefficients is proposed, which is based on the assumption that the balance of the forces acting on a bubble perpendicularly to the flow direction determines the establishment of radial void fraction profiles. Wall lubrication force coefficients are determined based on a reasonable agreement in radial void fraction profiles between numerical results predicted by the CFD EAGLE (elaborated analysis of gas–liquid flows evolution) code and extensive experimental database in the open literature as well as experiments performed at the Korea Atomic Energy Research Institute-vertical air–water loop test facility. Liquid velocity dependence of wall lubrication force is clearly shown in both analytical and numerical ways in the present study, and new correlations are then proposed for the wall lubrication force coefficients.     

含内热源有序饱和多孔介质通道内蒸汽-水两相流型可视化实验研究

采用均一球体形成多孔介质通道,通过高速摄像系统获得了多孔介质通道内两相流动影像数据,识别出多孔介质通道内蒸汽-水两相流动流型存在形式,并研究了部分参数对流型转变的影响规律。结果表明,多孔介质通道内的汽-液两相流型有泡状流、泡状-弹状混合流、弹状流、弹状-环状混合流以及环状流5种;随着入口过冷度的增加,泡状流向过渡流转变以及过渡流向环状流转变时所对应的汽相表观速度呈现出逐渐增大的趋势;随着压力的升高,泡状流向过渡流转变以及过渡流向环状流转变时所对应的汽相表观速度呈现出逐渐减小的趋势。      

基于UDF的二维管束流弹失稳模拟研究

针对现有流弹失稳模拟研究中的流固耦合模型存在计算精度较低、计算成本巨大的问题,建立了一种可以预测管束临界流速的二维单向流固耦合模型,该模型基于商用ANSYS Fluent软件,通过SST k-ω湍流模型进行流场计算,再由自编译的用户自定义函数（UDF）提取管子所受的流体力,并利用4阶Runge-Kutta法求解结构动力学方程实现单向流固耦合计算。利用该模型对节径比为1.5的转角三角形排布管束进行了流固耦合计算,得到了中心管的临界流速、振幅时程曲线及振幅频谱图,并通过水洞实验进行了验证。结果表明,本模型以较低的计算成本准确地预测了临界流速,同时也获取了管子真实的振动特征,模拟计算的中心管振幅时程曲线及振幅频谱均与实验相近。此外,模拟计算获取的阻力和升力系数数据表明,随着流速增大,阻力和升力系数时程曲线经历了从紊乱到规律的变化,换算流速达到2.44时,阻力和升力系数主频包含管子在静水中固有频率的成分。      

高温气冷堆传热管束驰振现象的数值研究

驰振是一种气动不稳定现象,可能导致结构发生剧烈振动而失效。高温气冷堆蒸汽发生器内传热管束处于高速氦气的环境中,其截面为带圆角的方形。为研究这种特殊截面管束的驰振问题,基于准稳态模型推导获得的稳定性判据,采用CFD方法建立二维数值模型,获得不同攻角下的静态流体力数据,并利用此数据研究结构的驰振稳定性。结果表明,圆角结构对结构的驰振稳定性影响较大,能显著减小流体阻力系数,进而降低了结构发生驰振的临界流速;同时,较大的圆角半径会缩小结构可能发生驰振失稳的攻角范围。本文研究为高温气冷堆传热管束的设计提供依据。     

基于竖直圆管空气-水两相流实验的相间曳力模型研究

研究两相流相间阻力特性对系统程序关键本构模型封闭具有重要意义。本文基于竖直圆管开展了空气-水两相流实验,采用四探头电导探针对空泡份额、气泡弦长和界面面积浓度等气泡参数的径向分布进行了测量。结果表明空泡份额和气泡弦长呈现“核峰型”分布,而界面面积浓度并没有表现出随流速的单调关系。进一步开发了泡状流和弹状流的相间曳力模型,考虑了液相表观流速与管径对气泡尺寸分布的影响,建立了临界韦伯数与不同液相流速的关系。计算得到的空泡份额和界面面积浓度与实验数据整体符合较好,验证了模型的可靠性,为两相流相间阻力特性研究提供参考意义。