临界热流密度后膜态沸腾传热研究

本文简要地叙述了临界热流密度后流动膜态沸腾的现状后,全面地介绍我们在弥散流和逆环状流膜态沸腾方面的实验和理论研究。集中讨论低压小流量下的膜态沸腾研究,实验范围为:弥散流P=2-7bar,G=25—130kg/m~2s,x_λ=5-85％,q=20—95kW/m~2;逆环状流p=3-7bar,G=45—160kg/m~2·s,Δt_(subλ)=1—20℃q=50—90kW/m~2。简要地讨论了弥散流的理论模型及其与实验比较;逆环状流物理模型以及现有经验式与实验比较。弥散流研究虽然比较深入,但尚缺乏液滴信息,因此待定常数尚较多,这是今后研究的重点。逆环状流实验研究,一般仅提供壁温数据,尚未发现关于汽膜特征方面的信息,而且壁温数据也极为稀少,因而目前的经验式极不完善,更无合适的计算模型。只有在突破了汽膜特征研究方面的困难后,才有可能为逆环状流计算模型提供验证基础。尽管目前国际上膜态沸腾研究十分活跃,但是实验数据库仍然十分贫乏,应当进一步有组织地进行一系列实验研究。     

二维逆环状流膜态沸腾传热数学解析模型

根据逆环状流膜态沸腾(IAFB)的可视化实验结果,将该流型理想化为一个两区物理模型。按双区物理模型假定,建立二维、二流体数学解析模型。它由质量、动量和能量守恒微分方程以及相应的本构方程构成完全方程组,然后用数值方法求解。用该模型分析了液相、汽相参数以及加热管的壁温,与Stewart的实验数据进行了比较,两者相当一致。可信地预示了液体过冷度、质量流率、系统压力和加热热流率对加热面温度的影响。同时选择实例分析了流动二维效应和初始汽膜厚度取值对加热面温度和膜厚变化的影响。结果表明:在讨论的范围内忽略两维效应对壁面温度影响不大;初始膜厚取值不同对加热面温度变化和膜厚变化无显著影响。     

低压低含汽量逆环状流膜态沸腾研究

利用热块技术(Hot Patch)成功地获得了低压下水的稳态逆环状流膜态沸腾工况,测量了φ15×1.5圆管的膜态沸腾数据。分析了参数效应,并将实验结果与现有的一些经验式作了比较,没有一个公式是满意的。最后分析了逆环状流膜态沸腾的物理数学模型。     

水平圆管临界热流密度实验研究

对水平圆管内低质量流速临界热流密度(CHF)进行了实验研究和分析。实验研究发现,水平流动圆管沸腾临界发生在圆管加热壁面顶部。通过对沸腾临界发生时圆管出口的质量含汽率和流型进行分析发现,本文研究的参数范围内沸腾临界时的出口含汽率高,流型为环状流,沸腾临界类型为干涸型(Dryout)。将经验公式预测值与实验结果进行比较发现,Bowring公式和Lookup table的预测值远大于CHF的实验值。导致此现象出现的主要原因为:Bowring公式和Lookup table是基于竖直流动CHF实验数据开发的模型,水平流动时在重力的作用下环状流液膜呈非均匀分布,顶部液膜干涸提前触发沸腾临界造成CHF值降低。     

矩形窄缝通道内水沸腾流型理论研究

对矩形窄缝通道(1×20mm,2×20mm)中水沸腾的汽液两相流动流型转化准则进行了研究。根据实验结果,水平矩形窄缝加热通道中流型可以分为泡状流、间歇弹状流、搅拌流、环状流和汽液分离流。运用分相流模型对矩形窄缝通道中水沸腾的汽液两相流动流型进行了理论分析,得出了相应的流型转换准则,并与实验数据进行了初步比较,符合较好。     

单棒通道流动振荡诱发沸腾临界可视化实验研究

为深入分析沸腾两相流动振荡诱发沸腾临界的影响特性,本文以去离子水为工质,横截面19 mm×19 mm、中心为外径9.5 mm的单棒通道为研究对象,通过在不同热工参数下开展沸腾两相流动特性可视化实验研究,结合汽泡行为和汽-液界面特性,分析流动振荡诱发沸腾临界的影响特性。研究结果表明,低压力、低质量流速和低入口过冷度下,极易出现流动振荡,并导致沸腾临界提前发生,此时的临界热流密度与稳定工况下相比明显偏低;随着壁面热流密度不断增加,流道中两相流型先后出现泡状流、弹状流、合并弹状流、搅混流、剧烈搅混流、不稳定环状流;当流动出现剧烈振荡时,流道存在回流;发生沸腾临界时流道压降波动最大,对应的流型为不稳定环状流。因此,单棒通道内流动振荡可能会导致沸腾临界提前发生。      

自然循环临界热流密度实验现象及分析

对自然循环系统矩形通道内临界热流密度进行实验研究。研究发现:实验本体增加功率后,环状流液膜蒸干,壁温出现持续快速上升,实验本体出口发生沸腾临界。根据壁温的上升趋势和出口处流体的临界含汽率可以判断自然循环系统出现的临界热流密度(CHF)类型为干涸(Dryout)型。当自然循环系统沸腾临界出现时,自然循环流量出现明显的上升。根据理论分析可知:沸腾临界发生时导致自然循环流量上升的主要原因是环状流转变成弥散流,附在加热壁面的液膜消失,摩擦压降迅速减小。     

曲率对竖直向上环形狭窄通道内环状流特性的影响

基于三流体分离流模型，以液膜质量、动量和能量守恒方程为基础，结合汽芯动量方程，对双面加热垂直向上流动环形狭窄通道内环状流特性进行数值模拟。将计算结果与实验结果相比较，两者符合较好。通过数值模拟，分析了曲率对环状流特性的影响，得到了曲率对液膜厚度、液膜内温度、液膜内速度、临界热流密度等的影响曲线。曲率越大，内液膜越薄，而外液膜越厚。内管干涸时，临界热流密度随曲率的减小而增大；外管干涸时，则反之。     

低压流动稳定性实验研究(英文)

在5MW核供热反应堆模拟热工水力学实验回路HRTL-5上研究了在低压(P=0.1,0.24MPa)自然循环各种进口过欠热度条件下,单相及两相流流动特性。研究了不同种类的流动不稳定性,如,欠热沸腾不稳定性,欠热沸腾引起的闪蒸不稳定性,纯闪蒸不稳定性,密度波-闪蒸耦合不稳定性及高频流动振荡。研究结果表明:低压自然循环系统在绝大部分进口欠热度条件下,其两相流流动是不稳定的,仅在小进口欠热度条件下可获得稳定的两相流流动;在高进口欠热度条件下,加热段中的欠热沸腾控制流动不稳定,在中进口欠热度条件下,加热段中的欠热沸腾及上升段中的空泡闪蒸控制流动不稳定。     

竖直环形狭缝通道内环状流的预测模型

对竖直环形狭缝通道内环状流流动沸腾传热理论模型进行了分析，以液膜质量、动量和能量守恒方程为基础，结合汽芯动量方程建立了竖直环形狭缝通道内环状流的数学物理模型。对该模型进行数值求解，得出了液膜厚度、液膜内的速度分布和温度分布、内—外管的换热系数以及通道内压降值，并与实验值进行了比较。     

加热面朝下的池沸腾汽泡动态行为研究

基于Matlab软件开发了自动识别气液两相流界面程序，程序可获得气液界面变化、汽膜厚度、汽膜脱离周期和汽膜法向速度等特征。利用该程序对沟槽结构加热表面朝下布置时，在不同倾角、不同热流密度下的汽泡动态数据进行了处理和分析。结果表明：加热表面朝下发生核态沸腾时，汽膜厚度随热流密度的增大而增大，汽泡脱离周期随热流密度的增大先减小，而后维持在一稳定值；汽膜脱离周期随倾角的增大而减小，倾角为5°时的汽膜脱离周期稳定在0.27 s左右。当发生沸腾危机时，汽膜厚度迅速减小，这可作为动态监测加热表面沸腾状态的依据。     

单面加热矩形窄缝通道流型可视化研究

针对截面为40 mm×3 mm的竖直矩形窄缝通道,在低压以及入口温度过冷的条件下,对水流动沸腾的流型特征进行了可视化实验观察。观察到弥散泡状流、合并汽泡流、搅拌流和环状流4种流型;获得了矩形窄缝通道内流型的二维可视化图像,为流型的确认提供了直观的依据;对实验数据进行了初步分析,绘制了单面加热矩形窄缝通道内水流动沸腾的流型图。将本实验数据与现有的典型流型图进行了初步的对比分析,结果表明加热蒸汽-水的流型及其转变规律与绝热空气-水的差异明显。     

均匀加热窄通道内环状流液膜厚度和换热系数的预测模型

为探究窄矩形通道内环状流的流动传热特性,根据液膜的质量、动量和能量方程以及汽芯的动量方程建立了环状流的预测模型。对该模型进行数值求解,得出了窄矩形通道内环状流区域的沸腾换热系数,并分析了热流密度、质量流速和矩形通道尺寸对液膜厚度的影响。结果表明:该模型能很好地预测沸腾换热系数,其误差在±30%以内,且热流密度和矩形通道的尺寸对液膜厚度的影响效果比较大。     

热流密度对汽水两相流压力波动特性的影响

实验研究了螺旋管内绝热和沸腾汽液两相流动时压力波动特性。分析了热流密度对压力波动的影响规律。结果表明沸腾时波动的均方根和分形参数（分维数、关联维数和Kolmogorov熵）与绝热两相流明显不同,加热热流密度的大小影响各特征参数的大小及其随干度的变化规律。未考虑热流密度影响的流型图或流型转变准则只能在小热流密度时使用。     

液钠沸腾两相流流型与临界热流密度(CHF)机理实验研究

通过大量的液态金属钠临界热流密度 (CHF)的实验研究 ,结合液钠两相传热流动特性及液钠的物性特点 ,分析了起始沸腾流型 ,泡状流 ,块状流 ,环状流和双向环状流的热工水力特性 ;并从实验结果出发 ,深入分析了液钠发生临界热流密度时的气泡爆炸和液膜撕裂或局部蒸干的两种传热恶化机理     

矩形小尺度加热通道流型构成及过渡准则研究

基于可视化实验系统研究了矩形小尺度加热通道内主要流型构成，从微观角度深入研究气-液两相在流型过渡临界状态下的受力情况，构建了基于力学模型假定的流型过渡准则，并采用可视化实验数据对该模型进行了验证。结果表明，泡沫流-受限气泡流过渡准则预测准确度为93.94%，受限气泡流-环状流过渡准则预测准确度为94.07%，模型预测结果与实验数据基本吻合。      

压力容器外部冷却可视化图像分析研究

针对反应堆压力容器外部冷却（ERVC）缩比试验台架的可视化视频数据，基于Matlab商业软件开发相应图像自动分辨和界面捕捉程序IMGPROCS1对下朝向半球形结构的沸腾两相流动可视化数据进行批量处理分析。通过图像分析程序的批量处理，分析了不同工况下ERVC过程中沸腾汽泡的界面演化、汽膜厚度、沸腾循环周期等汽泡行为特征。结果表明:核态沸腾工况下，随着热流密度的增加，汽膜厚度逐渐增大；沸腾循环周期维持一恒定值。      

基于两相CFD方法的竖直圆管环状流预测研究

基于欧拉-拉格朗日方法，结合壁面液膜模型，模拟圆管环状流中的液滴与连续气相的相互作用、液滴在壁面处的沉积与夹带、液膜的沸腾与蒸发等关键物理现象。通过与瑞典皇家理工学院的环状流实验结果比较，评价欧拉-拉格朗日方法对环状流的预测精度。比较结果表明，数值模拟得到的液膜质量流量与实验测量结果吻合良好，证明所采用欧拉-拉格朗日方法及本构模型能够较准确地模拟环状流动。      

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。     

低质量流速垂直并联内螺纹管密度波型不稳定性试验

在高压汽-水两相流实验台上进行了低质量流速垂直并联内螺纹管密度波型不稳定性的试验研究,观察到了垂直并联内螺纹管气-液两相流密度波型不稳定性的一些主要特征。在试验参数范围内就热负荷、系统压力、质量流速、进口过冷度和不对称加热对密度波型不稳定性的影响进行了研究和分析。同时根据试验结果,采用均相流模型得到了密度波型不稳定发生的界限关系式。