螺旋直径对螺旋管泡状流截面分布特性的影响

研究了不同螺旋直径螺旋管中泡状流的相界面参数(空泡份额、相界面浓度、气泡尺寸等)的截面分布特性。通过图像法标定了电导探针的测试精度,并通过合理地处理双头电导探针,得到了螺旋管中泡状流的空泡份额、相界面浓度和气泡数量频率的定量分布云图。为进一步量化地描述相界面参数的分布特征,采用统计方法定义了截面平均参数、相界面离散系数和气泡平均聚集坐标来表征其特性。实验结果表明,随着管道旋转直径的增大,气泡截面平均空泡份额有所下降,分布范围缩小,平均聚集坐标向上方和外侧移动,气泡尺寸整体上有所下降。     

竖直下降两相流相界面结构输运特性

竖直下降两相流具有与竖直上升两相流不同的相界面结构特征及输运特性。本文对竖直下降管内的气水两相流进行了实验研究,运用微型四头电导探针对7.5、31.5及55.5倍管径横截面处的空泡份额、相界面浓度、气泡直径、气泡频率及气泡速度等相界面结构参数的局部分布进行了测量。分析获得了相界面结构参数的沿程变化规律,并研究了气相表观流速对相界面结构发展的影响及一维相界面结构输运特性。发现竖直下降泡状流的升力指向管中心,导致相界面结构参数基本呈中心峰值分布;气相表观流速的增大会提高空泡份额和相界面浓度分布的峰度;竖直下降两相流在距入口31.5倍管径处基本达到充分发展。     

竖直下降两相流相界面结构输运特性

竖直下降两相流具有与竖直上升两相流不同的相界面结构特征及输运特性。本文对竖直下降管内的气水两相流进行了实验研究,运用微型四头电导探针对7.5、31.5及55.5倍管径横截面处的空泡份额、相界面浓度、气泡直径、气泡频率及气泡速度等相界面结构参数的局部分布进行了测量。分析获得了相界面结构参数的沿程变化规律,并研究了气相表观流速对相界面结构发展的影响及一维相界面结构输运特性。发现竖直下降泡状流的升力指向管中心,导致相界面结构参数基本呈中心峰值分布;气相表观流速的增大会提高空泡份额和相界面浓度分布的峰度;竖直下降两相流在距入口31.5倍管径处基本达到充分发展。     

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。     

倾斜管内上升泡状流界面参数分布特性实验研究

采用双头光纤探针对倾斜圆管内空气-水两相泡状流界面参数分布特性进行了实验研究,包括局部空泡份额、气泡通过频率、界面面积浓度及气泡当量直径径向分布特性。实验段内径为50 mm,液相表观速度为0.144 m/s,气相表观速度为0~0.054 m/s。结果表明倾斜管内向上泡状流气泡明显向上壁面聚集。局部界面浓度、空泡份额及气泡通过频率径向分布相似。倾斜条件下局部界面参数分布下壁面附近峰值相对于竖直状态被削弱甚至消失,上壁面附近峰值被加强,中间区域从下壁面往上逐渐增大,且随倾斜角度的增加变化更加剧烈。气泡等价直径随径向位置、气相速度及倾斜角度的不同无明显变化,气泡聚合和破碎现象较少发生。通过气泡受力分析解释了倾斜对泡状流局部界面参数分布的影响机理。     

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。     

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。     

水平管泡状流局部统计特性的实验研究

利用双头电导探针技术测量了水平管内空气－水两相流的局部统计特性。分析了两相流局部统计参数如局部空隙率、气泡频率、气泡速度、气泡尺寸、界面浓度等参数随气液两相流量的规律变化。研究发现水平管内相分布与垂直管内相比呈现出更为复杂的形态,水平管内局部空隙率、界面浓度在同一直径方向的分布呈现类似分布,在管内除沿水平管径,即９０°线外,沿其它直径的分布都是非对称的。界面浓度在管内最高可达６００ ｍ － １,反映靠近管子上壁的热质交换最强烈。     

振动幅度对两相流局部参数变化影响研究

为研究实验段振动对管内两相流局部参数变化的影响,利用电导探针技术对振动状态下局部两相流特性参数包括空泡份额、气泡直径和界面浓度进行了测量。实验首先在静态工况下进行,通过固定在实验段上方的偏心轮转动获得振动工况。实验段振动周期保持在0.5 s,偏心轮提供的振动幅度分别为4.8 mm、9.5mm和15.8 mm。实验结果表明,振动对环管内气-水两相流局部时均参数分布影响很小。但振动引起的附加惯性力作用使两相流局部参数径向分布在实验段振动周期中发生明显变化,而且局部参数的变化幅度随实验段振幅的增加而显著增大。在含气率较低的流动工况,当振幅增大到15.9 mm时振动工况下径向空泡份额峰值较静态工况下的空泡份额峰值的增量可以达到70%。但振动对局部流动参数的影响随气流量增大而降低。     

基于WMS的无旋和螺旋气液两相流流型及空泡份额实验研究

为探究气液两相流流型从无旋状态转变为螺旋状态前后的流型特征及空泡份额时空分布特性,基于高速摄影仪和自主开发的丝网传感器（WMS）测量技术,对内径为30 mm的水平管内起旋装置作用下空气-水两相流的相态时空演变特性进行了可视化实验研究。结果表明,在起旋器诱导的离心力作用下,流场内存在明显的气泡聚并行为和液滴沉积现象,其中,泡状流将转变为螺旋气柱流,塞状流转变为螺旋间歇流,弹状流转变为螺旋环状流,环状流转变为螺旋丝带流;相比于弹状流和环状流,泡状流和塞状流的截面平均空泡份额在起旋器出口波动幅值明显减弱,但离心力场并未明显改变各流型从无旋状态转变为螺旋状态前后的截面平均空泡份额。      

Local measurement of bubbly flow in helically coiled tubes using double-sensor conductivity probe

ABSTRACT

The two-phase flow in helically coiled tubes (HCTs) is rather important in many industries, such as the heat exchange facility in nuclear power plant. In this work, a double-sensor conductivity probe was used to study the air/water bubbly flow in HCTs. The cross-sectional distribution profile of the interfacial parameters (void fraction, interfacial area concentration, bubble size, etc.) of air–water bubbly flow were systematically studied. Through carefully processing the raw data collected by the double-sensor conductivity probe, the distribution of the void fraction, interfacial area concentration, the bubbles number frequency over the cross-section are demonstrated, as well as the bubble velocities and sizes vertically in the dense region. Some statistical parameters of cross-sectional-averaged quantities, coefficients of variation, and bubble aggregation core coordinates are defined to quantitatively describe the distribution characteristics of interfacial parameters. The measured data are helpful for improving the understanding of two-phase flow characteristics in HCTs.     

Measurement and modeling of average void fraction, bubble size and interfacial area

The local void fraction, bubble size and interfacial area concentration for co-current air-water bubbly flow through a horizontal pipe of 50.3 mm internal diameter were investigated experimentally using the double-sensor resistivity probe method. The local and area-averaged void fractions and interfacial area concentrations were analyzed as a function of liquid and gas flow rates. These parameters were found to increase systematically with decreasing liquid flow and increasing gas flow. However, variations with the liquid flow were not as significant as with the gas flow. A consistent variation of the gas phase drift velocity and distribution parameter with the liquid flow rate was observed. It was demonstrated that presentation of the average void fraction in terms of flowing volumetric concentration was more appropriate for horizontal bubbly flow. Several bubble break-up mechanisms were discussed. It was concluded that average pressure fluctuations generated by the turbulent liquid fluctuations acting across a bubble diameter are the only mechanism which causes distortion of a bubble. Based on this force and the competing surface tension force, a theoretical model was developed for mean bubble size and interfacial area concentration. The theoretically predicted mean bubble size and interfacial area concentration were found to agree reasonably well with those measured by the double-sensor resistivity method.     

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。     

带7道格架的5×5棒束两相性能CFD分析

采用两相计算流体动力学（CFD）方法进行带7道格架的5×5棒束两相性能研究，其中结构搅混格架（MG）和跨间搅混格架（MSMG）交替布置，计算考虑汽泡合并与破裂、热量传递，但不考虑相间的质量传递。为选择合理的两相模型参数，首先以带2道格架（MG、MSMG）的AFA3G燃料组件5×5棒束架为研究对象，对最大气泡直径、汽泡合并破裂系数、非曳力模型及曳力模型、入口气泡直径、入口空泡份额分布等进行了敏感性及不确定性分析。此后采用该两相模型设置，针对带7道格架的AFA3G燃料组件进行了两相性能研究，计算结果显示格架间的各项参数不存在完全一致的周期性，但同种格架上游的空泡份额分布具有一定的相似性，因此用于两相性能评价可计算带2~3道格架的棒束，该研究可用于带格架棒束两相计算的模型设置与几何规模选择，为下一步采用两相CFD计算建立燃料组件热工水力性能评价准则奠定了基础。最后比较了AFA3G燃料组件及改进型燃料组件两种格架的空泡分布特性，并从提高燃料组件临界热流密度（CHF）特性的角度对其进行评价，获得与实验一致的结论，证明了评价方法的正确性。      

高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器热工水力学

高温气冷堆蒸汽发生器具有一次侧氦气工质、二次侧直流、螺旋管结构、工作温度高等特点，其热工水力特性与传统压水堆自然循环蒸汽发生器存在很大区别。针对高温气冷堆蒸汽发生器的特点，对其基础热工水力及特有热工水力学问题进行了阐述，主要包括螺旋管内单相及两相流阻及换热计算、横掠螺旋管束流阻及换热计算、温度均匀性及两相流不稳定性等。同时介绍了清华大学核能与新能源技术研究院针对高温气冷堆蒸汽发生器热工设计、温度均匀性及两相流不稳定性等热工水力学问题所开发的一维稳态程序、一维瞬态程序、二维分析程序和方法，并对分析结果和结论进行了讨论。相关研究方法、程序和结论对其他相似参数螺旋管和直管式直流蒸汽发生器具有参考和借鉴意义。     

Numerical study of the influence of the internal structure of a horizontal bubbly flow on the average void fraction

This paper presents the results of a numerical experiment aimed to study the influence of the void fraction profile on integral flow characteristics of horizontal bubbly flows. To perform this analysis, a particular model which reflects better both the effect of non-uniform flow and concentration profiles as well as the effect of the local relative velocity between the phases than the well known drift flux model, was used. The relative phase velocity has been estimated by considering the movement of a single bubble in a liquid flow having a non-uniform velocity distribution. The analysis has shown that, in the case of strongly gravity-skewed local void fraction profiles, the volumetric flow quality β can be smaller than the average void fraction 〈α〉. This 〈α〉-β relationship is conditioned by the fact that the corresponding distribution parameter is less than 1, while the void fraction weighted average relative velocity of the gas phase is negative.     

Experimental study of vapor local characteristics in upward low pressure boiling tube

Radial distribution of vapor local parameters, including local void fraction, interfacial velocity, bubble size, bubble frequency and interfacial area concentration, are investigated through the measurement in an upward boiling tube using dual-sensor optical probe. In addition, a new local parameter -"local bubble number concentration" is developed on the basis of bubble frequency. The analysis shows that this parameter can reflect bubble number density in space, and has clear physical meaning.