竖直大圆管内两相流动界面输运过程研究

采用光纤探针测量方法研究了垂直上升管中空气-水两相流动的局部界面面积浓度（IAC）和空泡份额等分布规律。实验选用的圆管直径为100 mm,气相、液相表观速度的范围分别为0～0.1 m/s和0～1.0 m/s。结果发现,影响径向IAC分布的因素主要为气泡通过频率。基于Ishii-Kim界面输运模型,对轴向IAC进行了计算;通过分析4种气泡间相互作用对IAC的影响,发现工作压力是影响轴向IAC变化的主要因素,最后给出了引入工作压力影响的轴向IAC计算关联式。     

垂直上升矩形流道内气液两相流流型图的数值模拟

两相流流型在分析换热、流动不稳定性以及临界热流密度方面具有基础性作用.本文基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,对垂直上升矩形流道内气液两相流动进行数值模拟,表观气速0.1～110 m/s,表观液速0.1～3.2 m/s.得到了流道内气液两相流的主要流型:泡状流、弹状流、搅混流和环状流,分析了流道内截面含气率分布与流型的对应关系,以及截面含气率与气液两相流容积含气率的关系;分析了各种流型下的压降分布特性,并绘制了基于气液表观动能通量的不同流量下气液两相流的流型图,直观的表示出各种流型的分布区域及各流型间的流型转换边界,与已发表文献的实验结果对比符合较好.     

竖直圆管内泡状流界面参数分布特性

采用双头光纤探针对内径为50 mm竖直圆管内空气-水两相泡状流界面参数径向分布特性进行了实验研究。气液两相表观速度变化范围分别为0.004～0.05 m/s和0.071～0.283 m/s。结果表明,竖直管内向上泡状流局部界面面积浓度（IAC）、空泡份额及气泡频率径向分布相类似,即气相流速较低时管道中间很大范围内以上3个局部界面参数几乎恒定,近壁区迅速下降到较低值;随气相流速的增加,局部界面参数在管道中心出现峰值。本实验中气泡聚合与破碎现象较少发生,索特平均直径沿径向近似均匀分布,且随气液两相流速变化很小。通过气泡横向受力解释了局部界面参数分布的影响机理。     

管内向下气液两相流动界面参数分布特性

借助双探头光纤探针测量方法,对管内竖直向下空气-水两相流动的界面参数局部分布特性进行了实验研究。实验段采用内径50 mm、长度2 000 mm的圆管,气液两相表观速度范围分别为0.004～0.077 m/s和0.43～0.71 m/s。实验结果表明,不同于竖直向上两相流动中局部界面参数径向分布呈现的“壁峰”或“核峰”型分布,向下流动中局部界面参数径向分布呈“壁峰”或“宽峰”型分布;向下流动时空泡份额截面平均值均比向上流动时大119.6%～145.0%,界面面积浓度截面平均值比向上流动时大18.8%～82.5%;向下流动时界面参数分布表现出明显的均匀化趋势。     

棒束通道内定位格架的两相流动局部阻力实验研究

在常温、常压条件下,对竖直3×3棒束通道内定位格架的单相及两相局部阻力特性进行了实验研究。单相流动实验时,水雷诺数的变化范围为290~18 007;两相实验时,气相、液相表观速度变化范围分别为0.013~3.763m/s和0.076~1.792m/s。利用单相实验数据得到的定位格架局部阻力系数计算关系式,用两相实验数据对均相流模型中8种不同的两相等效黏度计算方法进行了评价。Rel9 000时,Dukler模型的预测效果最好;Rel≥9 000时,McAdams计算方法预测效果最好;基于所有数据,Dukler模型的计算值与实验值吻合最好,平均相对误差为29.03%。考虑了质量含气率、两相雷诺数及气液相密度的影响,对Rel9 000时的实验数据进行了拟合,得到的经验关系式的计算值与实验值符合较好。     

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。     

计算气液两相流含气率的一个二维二速度模型

本文提出一个新的二维二速度气液两相流含气率模型,同时考虑了两相间存在相对速度及含气率和流速沿流通截面的分布规律这两个影响截面含气率的主要因素。分别对绝热流动和沸腾流动两种情况推导出了截面含气率与容积含气率之间的关系式,并对单组份汽液两相流建立了汽液相速度及含汽率沿截面分布的分布指数与两相流动参数之间的关系。该模型改进了Bankoff变密度模型(Bankoff模型为本文模型当两相间相对速度为零时的特例),具有更大的适用范围,本文就垂直圆管内汽水两相向上流动的情况,确定了模型中的各系数,模型计算结果与试验数据及其它模型比较得到了较好的结果。     

低流速过冷沸腾截面平均空泡率实验研究

以高温高压单探头光学探针为主要测量手段,进行了中压低流速过冷沸腾工况空泡率实验研究,截面平均空泡率根据探针测量得出的局部空泡率在流道截面上积分计算得出。实验数据与实验前提出的空泡率计算模型进行了比较,表明该模型在低流速过冷沸腾工况可获得满意的预测结果。实验结果与Saha模型以及Levy模型的比较表明:对于低流速数据,Saha模型预测结果明显偏高,Levy模型优于Saha模型,但预测结果仍略偏高。     

自然循环过冷沸腾截面平均空泡份额实验与计算方法研究

采用RBI高温高压光学探针,对自然循环过冷沸腾截面平均空泡份额进行了实验研究通过实验数据与应用较为普遍的Saha模型、Levy模型以及孙奇提出的真实质量含汽率模型计算值的比较发现．基于强迫循环实验数据的截面平均空泡份额计算模型无法适用于自然循环工况,且经过比较初步判定相同系统参数下高过冷沸腾区自然循环较强迫循环空泡份额偏高,另外,根据模型的比较分析结果对真实质量含汽率模型进行了拓展,使其可适用于自然循环过冷沸腾工况。     

卧式螺旋管内气液两相含气率的试验与理论研究

本文从试验和理论两方面详细地研究了卧式螺旋管内气液两相流截面含汽率的分布与变化规律。在水/空气两相流回路中系统地研究了卧式螺旋管内气液两相全管圈平均截面含汽率随螺旋直径的变化规律;测量了局部截面含汽率沿螺旋径向的分布和平均截面含气率沿螺旋周向的变化规律;依据实验测量结果,木文使用文献[3]中提出的特别适用于弯曲通道的单流体双区域坐标摄动修正变密度模型进行了计算,推出了含汽率特性及相分布、相速度分布的预报公式,同时给出了适合于工程实用的全管圈平均截面含汽率简便计算公式。试验结果与理论公式具有良好的一致性。     

竖直圆管内泡状流空泡份额径向分布实验研究

常温常压下,采用光学探针测量方法,对圆管（内径50 mm）内空气 水两相竖直向上泡状流空泡份额的径向分布特性进行了实验研究。结果表明,竖直圆管内泡状流空泡份额的径向分布随气液两相表观流速不同而变化。液相流速较高时空泡份额分布呈“壁峰型”,即中心区域变化平缓,近壁区出现峰值后迅速降低;液相静止时,随气相流速增加,空泡份额增加速度沿径向向外逐渐减小,气相流速较大时分布呈“核峰型”,即空泡份额随径向位置向外呈减小趋势;液相流速较低时分布呈现出过渡型。探针测量面积加权平均空泡份额与通过重位压降得到的空泡份额的相对偏差小于10%。     

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。     

竖直圆管内低压过冷沸腾相分布特性实验研究

实验采用双探头光学探针对内径24 mm竖直圆管内低压过冷沸腾局部空泡份额、界面面积浓度及汽泡尺寸等局部相界面参数径向分布特性进行了研究。实验结果表明：竖直圆管内过冷沸腾相分布形态呈现轴对称特性,随着热流密度的增大,相分布形态出现近壁峰值并逐渐向中间峰值分布形态的发展,较高热流密度工况下出现轴心峰值分布;随着质量流速的增加,局部空泡份额减小,并出现中间峰值向近壁峰值分布形态的转变;随着压力的增大,局部相界面参数减小。     

Assessment of an Ultrasonic Sensor and a Capacitance Probe for Measurement of Two-phase Mixture Level

We perform a comparison of two-phase mixture levels measured by an ultrasonic sensor and a two-wire type capacitance probe with visual data under the same experimental conditions. A series of experiments are performed with various combinations of airflow and initial water level using a test vessel with a height of 2 m and an inner diameter of 0.3 m under atmospheric pressure and room temperature. The ultrasonic sensor measures the two-phase mixture level with a maximum error of 1.77% with respect to the visual data. The capacitance probe severely under-predicts the level data in the high void fraction region. The cause of the error is identified as the change of the dielectric constant as the void fraction changes when the probe is applied to the measurement of the two-phase mixture levels. A correction method for the capacitance probe is proposed by correcting the change of the dielectric constant of the two-phase mixture. The correction method for the capacitance probe produces a r.m.s. error of 5.4%.     

倾斜圆管内泡状流空泡份额特性实验研究

采用光纤探针测量方法对倾斜圆管(内径为50 mm)内空气-水两相泡状流空泡份额分布特性进行实验研究。结果表明,截面平均空泡份额随倾斜角度的增加而减小,倾斜角度大于5°时减小速率明显减慢;竖直条件下空泡份额径向分布呈"马鞍形",即空泡份额除在近壁区出现峰值然后迅速降低到最小值外,在其他区域几乎不随位置发生变化;倾斜条件下气泡明显向上壁面聚集,中心线上方近壁区空泡份额峰值增加,中心线下方近壁区空泡份额峰值被削弱,倾斜角度较大时甚至消失。     

Void fraction and flow regime in adiabatic upward two-phase flow in large diameter vertical pipes

In pipes with very large diameters, slug bubbles cannot exist. For this reason, the characteristics of two-phase flow in large pipes are much different than those in small pipes. Knowledge of these characteristics is essential for the prediction of the flow in new nuclear reactor designs which include a large chimney to promote natural circulation. Two of the key parameters in the prediction of the flow are the void fraction and flow regime. Void fraction measurements were made in a vertical tube with diameter of 0.15 m and length of 4.4 m. Superficial gas and liquid velocities ranged from 0.1 to 5.1 m/s and from 0.01 to 2.0 m/s, respectively. The measured void fractions ranged from 0.02 to 0.83. Electrical impedance void meters at four axial locations were used to measure the void fraction. This data was verified through comparison with previous data sets and models. The temporal variation in the void fraction signal was used to characterize the flow regime through use of the Cumulative Probability Density Function (CPDF). The CPDF of the signal was used with a Kohonen Self-Organized Map (SOM) to classify the flow regimes at each measurement port. The three flow regimes used were termed bubbly, cap-bubbly, and churn flow. The resulting flow regime maps matched well with the maps developed previously through other methods. Further, the flow regime maps matched well with the criteria which were proposed based on Mishima and Ishii's (1984) criteria.