矩形窄缝通道临界热流密度数值预测

利用已有的实验数据对Weisman模型和Kwon模型的计算结果进行计算与分析.结果表明:2套模型计算偏差分布趋势相似,但Kwon模型的分散度较小,精度更高.对于矩形窄缝通道,已有的汽泡壅塞模型预测精度较差;不宜将汽泡壅塞模型直接用于矩形窄缝通道.结合矩形窄缝通道自身的特性对其中的Kwon模型进行了拓展.改进后的模型具有...     

双面均匀加热矩形窄缝通道内DNB型临界热流密度理论预测

基于微液层蒸干的临界触发机理,构建了偏离泡核沸腾(DNB)型的临界预测模型。通过对临界点处的汽块进行受力平衡分析,基于优化后的侧面提升力系数CL,确定了汽块滑移速度、微液层液膜厚度等参数,实现对均匀加热下DNB型临界热流密度的理论预测。采用2种加热长度下矩形窄缝通道内的临界热流密度实验数据对该模型进行了验证。结果表明:模型所预测矩形窄缝通道内的临界热流密度值与实验结果的偏差均在±15%之内,该模型的预测精度高于Bowring公式和Bettis公式的预测精度。     

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。     

窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内垂直上升流过冷流动沸腾区域汽泡脱离频率进行可视化实验研究。结果表明,汽泡脱离频率随质量流速的增大而减小,随入口过冷度的增大而减小,随热流密度的增大而增大。将实验数据与文献中汽泡脱离频率计算模型进行比较,发现基于池式沸腾和饱和流动沸腾开发的计算模型不能准确预测过冷沸腾区域汽泡脱离频率。本文以无量纲参数的形式,分别用液相雷诺数、过冷雅各布数和核态沸腾热流密度表示质量流速、主流过冷度和热流密度对汽泡脱离频率的影响,获得矩形窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率预测关系式,关系式的平均预测误差为±17.1%。     

基于分子动力学理论界面传质的过冷沸腾汽泡生长特性研究

基于分子动力学理论的准平衡态界面处界面蒸发/冷凝因素,以及汽泡底部微液层传热因素建立综合传热传质相变模型,对窄通道内汽泡过冷流动沸腾条件下的生长情况进行模拟。相变模型体现了汽泡底部微液层蒸发、近壁过热液体传热、汽泡顶部主流冷凝等多方面机制对汽泡生长的影响。模拟结果体现了汽泡底部微液层厚度的变化情况,与实验结果相吻合;微液层蒸发机制在汽泡生长初期对汽泡生长有较大影响,流道壁面效应对汽泡生长有显著影响。     

内螺纹管临界热流密度预测与数值计算

基于壁面汽泡壅塞理论，针对近临界压力区两相流动沸腾的偏离泡核沸腾(DNB)现象，对垂直上升内螺纹管的DNB型临界热流密度(CHF)进行了数值计算研究。以内螺纹管为分析对象改进已有的汽泡壅塞模型，计算了汽泡层区与主流区的极限传递质量流量、湍流速度分布、汽泡层区临界截面含气率等本构关系，汽泡脱离直径的计算考虑了汽泡接触角的影响。本文模型还根据大量CHF实验数据拟合得到了新的α_b关联式。最后，基于Fortran语言编制了CHF的理论预测数值模型程序，研究分析了压力、质量流速、热平衡干度及进口欠焓对CHF的影响，并根据CHF查表值对本文模型进行评估，同时将实验得到的内螺纹管CHF数据与采用Bowring模型、Katto模型、Shah模型和本文模型计算的CHF进行比较，发现本文模型的误差最小，与实验值吻合结果较好，说明本文模型能较好地对垂直上升内螺纹管DNB型CHF进行预测。     

圆管内偏离泡核沸腾机理模型的比较分析

分析比较了基于壁面汽泡壅塞模型和汽泡下液膜烧干两种机理的圆管内偏离泡核沸腾机理的5个模型，并与偏离泡核沸腾（DNB）实验数据进行了比较分析，得出了各种模型的优缺点。     

窄缝通道内汽泡界面参数对脱离直径预测的影响

通过汽泡受力分析,构建窄缝通道内汽泡脱离直径预测模型。基于可视化实验获得的汽泡轴心倾斜角、前后接触角以及底部接触直径等数据,评价分析汽泡界面参数对脱离直径预测的影响,进而确定适用于本实验工况下窄缝通道内汽泡受力模型求解的界面输入参数,获得了窄缝通道汽泡脱离直径的预测值。利用竖直和倾斜条件下可视化实验获得的58个数据对汽泡脱离直径预测模型进行了验证,预测值和实验值符合较好。基于验证的汽泡脱离直径模型评估了各个力的地位和作用,应用分析了热工参数对汽泡脱离直径的影响。     

矩形窄缝通道内滑移汽泡直径沿轴向分布特性实验研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内过冷流动沸腾滑移汽泡直径沿轴向分布特性进行可视化实验研究。实验捕获滑移汽泡沿加热面滑移并聚合的过程图像,并获得沿加热面轴向300、400、500 mm处滑移汽泡直径概率分布图。实验研究表明,窄缝通道中滑移汽泡直径沿轴向分布呈增大趋势;滑移汽泡沿加热面生长、滑移汽泡与未完成生长脱离的小汽泡的聚合,以及滑移汽泡间的聚合是滑移汽泡直径沿加热面轴向增大的重要原因。     

竖直窄矩形通道内过冷沸腾传热模型

通过引入池式沸腾-流动沸腾汽泡脱离直径比对沸腾抑制因子S进行了修正,并将修正后的S引入Lee-Mudawwar过冷沸腾CHF模型,通过结合竖直窄矩形通道内的汽泡行为进行分析,建立了适应于竖直窄矩形通道的过冷流动沸腾传热模型,探讨了影响过冷沸腾传热系数的主要因素,并通过将模型预测值与实验值进行对比,验证了模型的可靠,表明当前模型可用于计算竖直窄矩形通道内的过冷沸腾传热特性。     

矩形窄通道内DRYOUT模型研究

液膜干涸（DRYOUT）被广泛认为是诱发环状流区临界热流密度（CHF）的机理,已有DRYOUT模型对于矩形窄通道能否适用缺乏实验验证。本文通过比较几组不同的沉积率、夹带率关系式,得到了一优化的DRYOUT模型。计算结果表明：本文的模型较已有模型具有更高的精度,可用于矩形窄通道CHF的预测计算。     

Experimental Study of Differences in DNB Heat Flux between Upflow and Downflow in Vertical Rectangular Channel

Experiments were carried out on DNB (Departure from Nucleate Boiling) heat flux for both upflow and downflow in a rectangular vertical channel simulating a subchannel in the fuel element of the research reactor JRR-3, which is scheduled to be upgraded at 20MWt with 20% low enriched uranium (LEU) fuel. The experiments were carried out for the conditions of pressure and velocity which are important for the safety design of the JRR-3. With the investigation of the data of the present experiment along with already existing data for both rectangular channels and other channels, a scheme of DNB heat flux correlations was obtained for upflow and downflow. With the all available data, the errors of the correlations adopted in this scheme were so evaluated as to utilize these results in the safety analysis of the JRR-3. This scheme includes a new correlation of DNB heat flux for upflow and the identification of a region of high coolant flow rate where no remarkable differences in the DNB heat flux are observed between upflow and downflow. This scheme is considered to be applicable not only to the rectangular channels of the JRR-3 but also to other channels.     

矩形通道内两相流动阻力特性及计算方法

常压下,以空气和水为工质,对宽高比不同的两个矩形通道内两相流动摩擦阻力特性进行了研究,并对常规通道和微小通道内两相压降的计算模型进行了验证和评价。结果表明：传统的常规通道经验关系式并不适用于窄矩形通道中的压降计算;基于微小通道的计算方法中,Lee-Lee模型与实验值符合程度较好,但在一定的参数范围内仍存在较大误差。提出基于Chen模型的Chisholm C系数方法的修正关系式,式中综合考虑了矩形通道宽高比、全液相雷诺数和L-M参数对Chisholm C系数的影响,修正关系式与实验值符合较好。     

Flow regime transition criteria for upward two-phase flow in vertical narrow rectangular channels

In relation to the cooling system of high performance microelectronics, a high power research reactor with plate type fuels and plasma facing components of a fusion reactor, study of two-phase flow in a narrow rectangular channel has been paid considerable attention, recently. For the two-fluid model, direct geometrical parameters such as the void fraction should be used in flow-regime criteria. From this point of view, flow-regime transition criteria for vertical upward flows in narrow rectangular channels have been developed considering the mechanisms of flow-regime transitions. The basic concept of the present modeling followed the Mishima and Ishii model for vertical upward two-phase flows in round tubes. Newly developed criteria have been compared with the existing experimental data for air–water flows in narrow rectangular channels with the gaps of 0.3–17 mm. The present criteria showed satisfactory agreements with those data. Further comparisons with data for steam–water in a rectangular channel at relatively high system pressures have been made. The results confirmed that the present flow-regime transition criteria could be applied over wide ranges of parameters as well as to boiling flow.     

热工水力参数对矩形双通道管间脉动的影响

在中国核动力研究设计院热工试验回路上进行了矩形双通道管间脉动试验.对各种热工水力参数的试验研究后得出结论:随着进口过冷度的增加,界限热流密度增大,脉动振幅增大,脉动周期变长,进口过冷度对界限含汽率的影响表现出一定程度的非单值性;随着进口质量流速的增大,界限热流密度增加,界限含汽率减小,脉动振幅增大,脉动周期变短;随着系统压力的升高,界限热流密度和界限含汽率增加,脉动振幅减小,系统压力对脉动周期的影响表现出一定程度的非单值性;根据进口过冷度数Nsub和相变数Npch绘制出的脉动界限图,拟合出判断管间脉动界限的准则关系式:Npch＝3.1419 Nsub 10.014.     

基于加热壁面能量平衡的窄矩形通道内CHF机理模型

窄矩形通道因具有结构紧凑、换热面积大等优点而被广泛应用于各个领域。通过完善窄矩形通道中临界热流密度（CHF）的预测方法,建立CHF机理模型,可以提高反应堆的安全性和经济性。本文对窄矩形通道内竖直向上流动CHF进行了可视化实验研究,在此基础上开发了一种基于加热壁面能量平衡的CHF机理模型,并提供一组本构关系用于封闭所开发的新模型,同时使用实验数据对新模型进行对比评价,对比结果发现,新模型在窄矩形通道中模拟结果良好,偏差基本都在±20%之间。     

矩形窄缝通道内水稳态和瞬态流动换热特性实验

以去离子水为工质,在压力0.5～5.0 MPa的范围内,对矩形窄缝通道内水稳态及瞬态流动换热特性进行了实验研究。结果表明:矩形窄缝通道在水平和竖直放置以及稳态和瞬态条件下,水的流动换热特性呈现出基本相同的规律。层流向紊流过渡区域的雷诺数(Re)为900Re1300,比常规通道提前,单相摩擦阻力系数比常规通道大;采用Dittus-Boelter公式的形式拟合得到了新的换热实验关联式,其系数较Dittus-Boelter公式的系数约小11.3%。在稳态条件下,紊流区换热系数随质量流速的增加而增大,增大趋势比较明显;换热系数随热流密度的变化不明显;压力对单相强迫对流换热特性基本没有影响。     

Unsteady numerical simulations of the single-phase turbulent mixing between two channels connected by a narrow gap

This paper focuses on the unsteady numerical simulation of the turbulent flow in two types of geometry containing a narrow gap with the explicit algebraic Reynolds stress model. The model was first validated through the comparison of simulation results inside a rectangular channel containing a cylinder and the corresponding experimental data. The structures of the oscillation were correctly reproduced. Simulation of turbulent mixing between circular channels connected by a narrow gap was carried out with the validated model. Because of the influence of the strong anisotropic turbulent flow in the gap region, the mixing rate was dramatically enhanced by the cyclic and almost periodic flow pulsation. The calculation results of the turbulent mixing rate showed good agreement with the experiment and the maximum error was less than 15%.     

窄矩形通道内搅混流和环状流相界面参数的计算方法

空泡份额和界面浓度是两相流动中重要的相界面参数,准确获取窄矩形通道内搅混流和环状流工况下空泡份额和界面浓度是构建和完善两流体模型的关键。本文针对横截面为65 mm×2 mm的矩形通道开展了气液两相流动特性可视化实验研究,气相折算速度j_g＝1～9 m/s,液相折算速度j_f＝0.1～1.5 m/s,流型包含搅混流和环状流。提出了基于高速摄像法获取搅混流和环状流下空泡份额和界面浓度的分析计算方法,利用该方法所得空泡份额与窄矩形通道内经验关系式计算值的相对偏差约在10%以内。此计算方法可为研究复杂流型下窄矩形通道内的相界面参数提供理论依据。