基于两相CFD的非均匀加热圆管CHF预测方法研究

为建立非均匀加热工况临界热流密度（CHF）预测方法，以对换热系统的安全分析提供新的辅助手段，本研究采用欧拉两流体模型和壁面沸腾模型，对非均匀加热圆管的CHF进行预测。通过数值计算得到不同热流密度下近壁面空泡份额和壁面温度的分布，将壁面温度出现二次峰值和此时近壁面空泡份额的峰值位置分别作为CHF发生的依据和CHF发生的点，并用此方法对2种不同功率分布圆管的CHF进行研究。研究结果表明，预测得到临界时的平均热流密度及临界发生的位置都与实验结果符合较好。因此，本研究建立的数值预测方法能够用于非均匀加热圆管CHF的预测。      

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。     

竖直窄缝通道内轴向功率阶跃分布下临界热流密度理论分析

采用竖直窄缝通道内功率阶跃分布下的临界试验结果对非均匀加热临界预测模型进行验证。模型所预测临界触发位置、临界热流密度(CHF)及临界对应平均热流密度与试验结果的偏差均在合理范围内。采用该非均匀加热临界预测模型开展功率阶跃下CHF的数值计算,分析阶跃功率比、阶跃长度以及阶跃位置对沸腾临界的影响:随阶跃功率比的增大,CHF基本呈线性增大,但临界触发时的平均热流密度逐渐降低;阶跃长度的增大使得CHF逐渐减小,同时触发时的平均热流密度逐渐逼近均匀加热下的CHF值;随临界触发区域向流道上游迁移,临界触发位置将脱离功率阶跃区域的后端迁移至流道出口,此时的CHF值及临界触发时的平均热流密度值均趋近于均匀加热下的CHF值。     

花瓣形燃料元件棒束通道内过冷流动沸腾特性数值研究

花瓣形燃料元件具有换热性能强和无需定位格架等优点，能进一步提高反应堆的功率密度和经济性。为此，本文利用欧拉两流体模型，同时结合RPI壁面沸腾模型，对2×2花瓣形燃料元件棒束通道内过冷流动沸腾特性开展数值研究。通过圆管过冷沸腾实验数据验证了模型的准确性。开展了流速和热流密度参数对花瓣形燃料元件棒束通道内流动、换热及空泡份额分布影响的数值研究。结果表明，通道内冷却剂的流动速度分布不均匀；横向流动沿主流方向存在波动；空泡份额在燃料元件的内凹弧与外凸弧处表现出较大差异；同时，由于流场和换热形式的不同，导致燃料元件的周向壁面温度呈现不均匀分布，横向流动的存在影响着壁面热流分配情况。     

海洋条件下竖直圆管内单相传热特性实验研究

进行了海洋条件下圆管内的强迫循环传热实验,通过测量竖直圆管周向的温度分布,从而得到海洋条件下不同位置的传热系数.实验结果表明:倾斜时,靠近上侧管壁附近的传热减弱,而靠近下方的管壁处传热增强;摇摆时,垂直于摇摆轴方向的管壁处传热会发生周期性振荡.采用计算流体力学(CFD)方法对海洋条件下单相传热问题进行了数值模拟,计算结...     

竖直加热圆管内过冷沸腾及CHF数值模拟

基于欧拉两流体模型和非平衡过冷沸腾模型,完成过冷沸腾数值模型的构建,并通过与Bartolomei单管过冷沸腾实验进行对比,验证模型的正确性。利用该模型计算得到圆管的沸腾曲线,将进入"临界区"后的第一个点作为偏离泡核沸腾(DNB)判定的标准,对高压、高流量下圆管内的DNB型临界热流密度(CHF)进行数值模拟,CHF数据取自最新(2006年)的查询表;计算中考虑质量流量、平衡含汽率和压力对CHF的影响,最终预测值与实际值符合良好,误差在15%以内。预测CHF出现的位置也与实际相符,表明本文提出的方法能够很好地模拟高压、高流量下圆管内的DNB型CHF。     

泡核沸腾两相CFD模拟的参数敏感性分析与模型验证

预测偏离泡核沸腾(DNB)型的临界热流密度(CHF)是压水堆热工水力分析的重要内容。基于计算流体力学(CFD)方法预测CHF需要准确预测空泡份额在截面上(尤其是壁面附近)的分布。本文使用商用CFD程序STAR-CCM+对泡核沸腾状态下DEBORA竖直上升流均匀加热圆管实验进行模拟。经过敏感性分析,找出对空泡份额、气体速度、液体温度和气泡直径四个物理量的径向分布以及轴向壁面温度分布有显著影响的模型参数。基于一组实验数据,通过调整关键模型参数重新标定了相间作用模型,并将标定过的计算模型应用到其他工况验证其适用性,得到了较好的结果。本研究为后续将两相CFD计算应用于DNB型CHF的预测打下了基础。     

非能动余热排出换热器池沸腾换热性能研究

以浸没在高位水箱中的竖直管束为研究对象,对不同热负荷条件下竖直管束的池沸腾换热特性进行研究,通过对比中心管与周围旁管外壁面过热度、凝液量的变化,分析了中心管与旁管换热特性的差异。实验结果表明,换热管束的换热能力明显优于单管,在相同热流密度条件下,管束沸腾换热系数可达到单管的1.2～1.5倍。与旁管相比,低热负荷条件下,中心管的换热能力优于旁管;高热负荷条件下,中心管的换热能力则不及旁管,在热流密度大于200 kW/m²时,旁管的沸腾换热系数相对于中心管提高了近7%,且从实验数据的变化趋势来看,旁管较中心管的沸腾换热能力有随热流密度增加而逐渐增大的趋势。     

沸腾传热数值模拟方法及多管耦合应用特性研究

针对直流蒸汽发生器（OTSG）中全流型沸腾传热及一、二次侧耦合换热等复杂物理现象,计算流体动力学（CFD）数值分析普遍面临计算难度大、计算效率低及不确定性大等问题。基于欧拉两流体多相流模型与临界热流密度（CHF）壁面沸腾模型,建立了管内全流型流动沸腾传热数值分析模型,并验证了模型的有效性。基于所验证的模型,开展了数值模型在多管耦合传热下的应用特性研究,明确了该数值模拟方法在多管耦合下的可靠性,并对温度与相分布计算结果对相间作用力模型的敏感性进行了数值分析。研究结果表明：基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型,能够较准确地预测管内水介质由过冷到过热的全流型流动沸腾传热过程,计算的“干涸”点位置及壁面峰值温度与实验值符合较好,最大误差小于10%;基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型的数值方法对多管耦合工况有较好的适用性,计算的二次侧温度与实验结果吻合良好;两相间曳力对壁面温度及空泡份额的计算结果有较明显的影响,但非曳力对壁面温度的影响较小,因此对于大规模工程应用计算,可在分析中不考虑部分相间非曳力的影响。本文研究结果可为OSTG的三维精细化数值分析的模型选择提供有益参考。     

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。     

A numerical assessment of copper oxide and alumina nanoparticles during CHF occurrence

Subcooled nucleate boiling in forced convection has been drawing significant attention in many fields due to its good heat transfer efficiency and high heat removal capacity. Such advancement in sub-cooled nucleate boiling is the result of continuing efforts from experimental, theoretical and numerical researchers, particularly focusing on critical heat flux (CHF). CHF heat transfer regimes are inefficient and the occurrence of CHF can cause a large temperature gradient in the heated wall leading to physical burnout. One way to increase the level of the CHF is to add certain nanoparticles to the base fluid. The present paper compares the effects of the addition of copper oxide and alumina nanoparticles on CHF phenomenon within the general-purpose computational fluid dynamics (CFD). The governing equations solved are generalized phase continuity, momentum and energy equations. Wall boiling phenomena are modeled using the baseline mechanistic nucleate boiling model developed in Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). To simulate the critical heat flux phenomenon, the RPI model is extended to the dry-out phenomenon by partitioning wall heat flux to both liquid and vapor phases considering the existence of thin liquid wall film. It was shown that the presence of copper oxide in comparison with alumina nanoparticles in the base fluid, delays the dryout phenomenon more dramatically and in specific concentration, CHF threshold would be enhanced and consequently the safety margins of the operation would be improved.     

同心环形管内沸腾两相流动与传热实验研究

对窄缝为2．1mm的同心环形管，试验研究了外管加热条件下水的沸腾两相流动阻力与传热特性，得到了以下结果：窄缝环形管内两相流动的阻力较普通圆管内大，沸腾换热得到了较明显的强化，换热系数弓压力、热平衡干度、工质流量、加热负荷均有关系，且与缝隙宽度和加热方式有关；提出了环形管强化传热的微液膜蒸发机理与汽泡扰动机理的物理解释；得到了环形管内流动摩擦阻力系数与传热系数的实验关联式。     

自然循环流动不稳定条件下的传热特性实验研究

为探究流动不稳定性机理，在低压自然循环系统中开展了一系列相关实验，分析了不同流量振荡模式下自然循环的沸腾传热机制及局部传热特性。实验表明：中、低热流密度下出现的较规则的周期性振荡由加热段内流动沸腾诱发，壁面过热度不会随流量振荡而大幅度变化；高热流密度下自然循环系统出现的周期性不规则振荡现象中，流动沸腾类型间的相互转变不是流量波动的唯一原因。大幅度的流量脉动可能在高热流密度下导致沸腾临界的发生，出口壁面出现间歇性干涸，局部传热系数下降的同时伴随壁温的短暂飞跃。随着热流密度的提高，自然循环系统可能出现持续性干涸。     

近临界压力区垂直内螺纹管临界热流密度实验研究

在近临界压力区,对垂直上升内螺纹管流动沸腾的偏离泡核沸腾(DNB)型临界热流密度(CHF)现象进行了实验研究。试验段采用ф35 mm×5.67 mm六头内螺纹管。实验参数范围为:压力18~21 MPa,质量流速500~1 000kg/(m~2·s),进口过冷度3~5℃,内壁热负荷40~960kW/m~2。实验得到了不同工况下的内壁温度和传热系数分布特性,分析了流动参数对内螺纹管中DNB型CHF的影响,并根据实验数据拟合出两相区的传热关联式与临界热流密度(qCHF)预测关联式。内螺纹管的qCHF实验数据被用于与光管的qCHF预测值进行对比,发现内螺纹管具有一定的CHF强化作用,但当压力越靠近临界压力时这种作用会被抑制甚至消失。实验结果表明:在近临界压力下,内螺纹管会在低干度区甚至过冷区发生DNB现象,压力的增大和质量流速的减小均会使DNB提前发生。qCHF随压力的减小和质量流速的增大而增大。在特定工况下,试验段不同截面会分别发生偏离泡核沸腾与蒸干。     

窄通道自然循环临界热流密度的非线性分析

通过自然循环流动实验,取得5 mm间隙窄矩形通道的自然循环临界热流密度（CHF）发生时的可视化图片,以及流量、壁温和实验段压差信号,并运用非线性分析技术对CHF发生过程进行了定性和定量研究。研究发现：自然循环压差时间序列的功率谱在半对数坐标中呈指数下降;自相关系数逐渐下降;三维吸引子相图表现出奇怪吸引子的特点。这表明了自然循环系统CHF的发生过程具有非线性混沌特性。自然循环CHF发生的初始阶段,由于流量脉动和流型往复变迁,流动和换热表现出一定的周期性;随着热流密度的提高,周期性减小,随机性增大,但总能达到一个确定的状态,体现了混沌运动的特点。     

The Corrected Simulation Method of Critical Heat Flux Prediction for Water-Cooled Divertor Based on Euler Homogeneous Model

An accurate critical heat flux(CHF) prediction method is the key factor for realizing the steady-state operation of a water-cooled divertor that works under one-sided high heating flux conditions.An improved CHF prediction method based on Euler's homogeneous model for flow boiling combined with realizable k-ε model for single-phase flow is adopted in this paper in which time relaxation coefficients are corrected by the Hertz-Knudsen formula in order to improve the calculation accuracy of vapor-liquid conversion efficiency under high heating flux conditions.Moreover,local large differences of liquid physical properties due to the extreme nonuniform heating flux on cooling wall along the circumference direction are revised by formula IAPWSIF97.Therefore,this method can improve the calculation accuracy of heat and mass transfer between liquid phase and vapor phase in a CHF prediction simulation of water-cooled divertors under the one-sided high heating condition.An experimental example is simulated based on the improved and the uncorrected methods.The simulation results,such as temperature,void fraction and heat transfer coefficient,are analyzed to achieve the CHF prediction.The results show that the maximum error of CHF based on the improved method is 23.7%,while that of CHF based on uncorrected method is up to 188%,as compared with the experiment results of Ref.[12].Finally,this method is verified by comparison with the experimental data obtained by International Thermonuclear Experimental Reactor(ITER),with a maximum error of 6% only.This method provides an efficient tool for the CHF prediction of water-cooled divertors.     

3-D numerical investigation of water/CuO nanofluid critical heat flux phenomenon in a PWR core channel during LOCA

Forced convection boiling and critical heat flux have been under considerable attention in variety of areas due to high heat removal capacity. However, once the heat flux exceeds a certain high level (CHF), the heated surface can no longer support continuous liquid contact, associated with substantial reduction in the heat transfer efficiency. One way to increase the level of the CHF is to add certain nanoparticles to the base fluid. The present paper investigates the effects of the addition of copper oxide nanoparticles on CHF phenomenon within the general-purpose computational fluid dynamics (CFD). The governing equations solved are generalized phase continuity, momentum and energy equations. Wall boiling phenomena are modeled using the baseline mechanistic nucleate boiling model developed in Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). To simulate the critical heat flux phenomenon, the RPI model is extended to the departure from nucleate boiling (DNB) by partitioning wall heat flux to both liquid and vapor phases considering the existence of thin liquid wall film. It was shown that the presence of copper oxide nanoparticles in the base fluid, delays the dryout phenomenon dramatically and in specific concentration, CHF threshold would be enhanced, therefore, raising the upper limit of CHF could allow for higher safety margins.     

管道倾斜角度对超临界CO2管内换热特性的影响

在恒热流加热工况下,对超临界CO₂在不同倾角的微细圆管内混合对流换热进行了数值模拟。采用FLUENT软件分析了不同倾角时管内截面温度、轴向速度、二次流、上母线传热系数、周向壁面温度和Nu_w的变化规律,并引入相对二次流动能定量表示二次流强度。研究发现：倾斜管内顶部流体温度高于底部,周向Nu_w在底部高于顶部,速度分布不是中心对称且其峰值出现在管中心轴线下侧;浮升力引发的二次流先增大后减小,且在靠近入口处达到峰值;倾斜管内上母线温度高于下母线,上母线传热系数在拟临界温度附近达到峰值。通过水平管中浮升力判据,得到了浮升力对对流换热的影响规律。     

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