自然循环条件下窄通道内气泡速度特性

气泡运动速度是气泡行为重要参数,对建立完善的气泡换热机理模型具有意义。以水为工质开展自然循环流动条件下窄通道内气泡速度特性实验研究。分析了单气泡和气泡群速度变化规律、影响因素以及引入摇摆运动后的速度特性。气泡速度主要取决于气泡尺寸和主流速度两个因素,摇摆条件下气泡速度会发生周期性波动,竖直稳态或摇摆动态条件下气泡形心液相速度与气泡速度近似相等。     

自然循环窄矩形通道内过冷沸腾两相摩擦阻力特性

采用去离子水作为实验工质,在低压低流速自然循环工况下开展了单面加热可视化窄矩形通道内的过冷沸腾摩擦阻力特性实验研究。实验中测量了实验段内的压降数据,并通过高速摄影仪拍摄了窄矩形通道内的气液两相图像,提出了过冷沸腾条件下的两相摩擦压降的剥离计算方法。基于本实验中获得摩擦压降数据,对分别基于均相流模型和分液相模型的经典两相摩擦压降计算关系式进行了评估,实验结果表明:采用不同等效黏度计算方法的均相流模型计算结果比实验值明显偏小;而分相流模型中,Sun and Mishiba关系式和Tran关系式均能够较好地预测摩擦阻力,计算值与实验值的平均相对偏差在±15%以内。结合实验数据,以分相流模型方法为基础,考虑全液相Reynolds数、Martinelli参数和Laplace数的影响,获得了计算分液相折算系数的经验关系式,与实验数据符合较好,平均相对误差在10%范围内。     

摇摆工况下窄矩形通道内两相沸腾摩擦压降特性

为了研究摇摆工况下窄矩形通道内的两相摩擦压降特性,进行了一系列的热工水力实验和理论分析。结果表明,摇摆工况下流体会受到附加惯性力的作用且实验回路的空间位置也会出现周期性的变化,两相摩擦压降梯度的波动振幅随着摇摆角度和摇摆周期的增加而增加;随着通道热通量的增加或者系统压强的减小,两相摩擦压降梯度的波动振幅和时均值逐渐增加。窄矩形通道内的质量流速随着两相摩擦压降梯度的波动而波动,且具有相同的波动周期,由于流体加速和压力传播的速度不同,流量波动和摩擦压降波动存在约1/4周期的相位差。     

棒束通道内自然循环流动阻力特性

在自然循环条件下,进行了棒束通道内的流动阻力特性实验研究。结果表明,棒束通道内的流动摩擦阻力系数小于Cheng&Todreas关系式的预测值,且转捩现象不如圆管明显,转捩点Reynolds数为800左右。根据实验结果拟合了层流区的摩擦阻力系数计算关系式,该关系式仍然符合圆管中层流摩擦阻力系数的计算形式。另外,棒束通道的流动在自然循环条件下仍具有宽广的过渡区。通过实验还发现,加热段的热通量会影响棒束通道的摩擦阻力,摩擦阻力系数随热通量的增大而减小,并根据实验结果提出了不同热通量下摩擦阻力系数的黏度修正计算式。棒束定位格架的局部阻力没有明显的转捩现象,并根据局部阻力系数的变化规律拟合了Re < 1500和Re > 2000时的局部阻力系数计算关系式。     

三相循环流化床中气泡上升速度的实验研究

开发了一种新型的光纤探头多相流气泡测试系统,可用于气－液两相和气－液－固三相体系中气泡参数的测定。应用此系统研究了三相循环流环化床中不同径同位置气泡的上升速度分布,气泡上升速度均值的径向布以及操作条件对这现任中分布的影响。     

基于流量振荡的窄矩形通道内临界热通量机理模型

设备最大运行功率受临界热通量(CHF)限制,而流量振荡会导致沸腾危机早发,此时的临界热通量称为PM-CHF。为了研究流量振荡条件下窄矩形通道内的临界热通量,进行单侧加热窄矩形通道内竖直向上流动条件下沸腾危机可视化实验,实验工质为去离子水,质量流速范围为350~2000 kg/(m²·s),窄缝宽度范围为1~5 mm,系统压力范围为1~4 MPa。结果显示,在窄矩形通道中CHF随质量流速的增加而线性增加。当流速较小时会发生流量振荡,振荡周期约为0.1 s。流量振荡继而导致沸腾危机早发,其流型表现为弹状流-搅混流。此外,针对本实验观察到的流量振荡和窄矩形通道内气泡动力学特性,从流量振荡的角度进行理论分析与推导,建立窄矩形通道内由于流动失稳引起的PM-CHF机理模型,预测误差在30%以内。     

倾斜窄矩形通道内弹状流特性的实验研究

以空气和水为工质,应用高速摄影仪,对3.25 mm×43 mm的竖直和倾斜窄矩形通道的弹状流进行了可视化研究。按分液相雷诺数将流动分为层流区(Relo3000)和湍流区(Relo≥3000)。实验结果表明,在层流区,气弹上升速度随倾斜角度的增加而增大;在湍流区,倾斜角度对气弹上升速度的影响不明显。基于湍流区拟合得到的分布参数C0和班可夫系数CA分别为1.151和0.788,与实验数据具有较好的一致性。对于空泡份额Jones-Zuber模型和Ishii模型,在湍流区两者预测结果与实验基本一致,但在层流区,Jones-Zuber模型预测效果较好而Ishii模型偏差较大。     

基于流量振荡的窄矩形通道内临界热通量机理模型

设备最大运行功率受临界热通量(CHF)限制,而流量振荡会导致沸腾危机早发,此时的临界热通量称为PM-CHF。为了研究流量振荡条件下窄矩形通道内的临界热通量,进行单侧加热窄矩形通道内竖直向上流动条件下沸腾危机可视化实验,实验工质为去离子水,质量流速范围为350~2000 kg/(m²·s),窄缝宽度范围为1~5 mm,系统压力范围为1~4 MPa。结果显示,在窄矩形通道中CHF随质量流速的增加而线性增加。当流速较小时会发生流量振荡,振荡周期约为0.1 s。流量振荡继而导致沸腾危机早发,其流型表现为弹状流-搅混流。此外,针对本实验观察到的流量振荡和窄矩形通道内气泡动力学特性,从流量振荡的角度进行理论分析与推导,建立窄矩形通道内由于流动失稳引起的PM-CHF机理模型,预测误差在30%以内。     

倾斜对窄矩形通道内流动阻力特性影响

在绝热强迫循环条件下,进行了窄矩形通道内的流动阻力特性实验研究,结果表明：在层流区,矩形通道内的摩擦阻力系数与Shah & London关系式吻合很好。在加热自然循环条件下,为探究倾斜与摩擦阻力特性的关系,进行了压力0.2 MPa,欠热度40～60 K,倾斜角度-30°～30°的单相流动阻力特性实验研究。结果表明：在倾斜条件下,基于Navier-Stocks方程的摩擦阻力预测值不再适用于单面加热窄矩形通道;在层流区,正倾会使单面加热窄矩形通道内的流动阻力增大,且阻力系数随倾斜角度增加而显著增大;反倾时,阻力系数随倾斜角度改变无明显变化;密度差驱动产生的二次流动使得低Reynolds数下的摩擦阻力系数变大。     

微通道内浆料体系中的气泡生成特性及尺寸预测

利用高速摄像仪对T型微通道内浆料体系中的气泡生成频率和气泡尺寸进行了研究。以氮气作为分散相,含0.35%(质量分数)表面活性剂(SDS)不同浓度玻璃珠的甘油-水溶液为连续相。实验考察了弹状流下气液两相流量、颗粒浓度以及浆料表观黏度对气泡生成频率及气泡尺寸的影响。结果表明:在弹状流下,当分散相流量一定时,随着连续相流量的增大,气泡的生成频率增大而气泡尺寸减小。当连续相流量一定时,随着分散相流量的增大,气泡生成频率和气泡尺寸均增大。随着颗粒浓度的增大,浆料的表面张力减小,表观黏度增大,气泡生成频率增大而气泡尺寸减小。提出了T型微通道内浆料体系中生成气泡尺寸的预测模型,模型具有良好的预测精度。     

倾斜窄矩形通道中气弹运动速度

利用高速摄像系统,对4种倾角下窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内弹状流进行了可视化研究。实验中发现,低流速时,倾斜条件下,由于浮力的影响,气弹头部偏离管道中心,头部变尖,因而气弹运动速度加快,系数C₀随倾角增加而减小,漂移速度V₀呈相反变化趋势;高流速时,流动趋于稳定,倾角对气弹速度影响不显著,对C₀和V₀影响较小。通过实验数据评价了竖直条件下4种气弹速度计算关联式。以Froude数3.5为界,分别提出了倾斜条件下C₀和V₀计算关联式。     

矩形窄缝近壁附近汽泡运动现象及分析

为了深入了解矩形窄缝流道窄边加热区和非加热区附近的流动和换热特性,文中采用高速摄像仪观察和分析了矩形窄缝流道内窄边近壁面附近汽泡的运动行为。研究结果表明,窄边近壁面附近汽泡的运动形式较为复杂,汽泡可向窄边近壁面或流道中央或竖直方向运动,这种汽泡运动形式的多样性,有利于加热区和非加热区附近流体的交混;描述并建立了汽泡受力物理模型,分析了窄边近壁面汽泡的运动机理。     

窄隙通道内纵向涡作用下汽泡行为可视化研究

当流体流过纵向涡发生器时,会在纵向涡发生器后产生沿纵向移动的涡旋,这些纵向涡的强烈运动,促进了主流区与传热壁面附近的流体搅混,削薄或破坏边界层,实现了强化传热。在窄间隙矩形通道内的加热板上布置矩形块的纵向涡发生器,通过正面450 mm×40 mm和侧面3 mm宽的石英玻璃可视窗内对纵向涡作用下的汽泡行为进行了可视化研究。通过分析纵向涡对单个汽泡、多个汽泡和汽泡演化作用特性的影响,表明纵向涡对汽泡产生了强烈的扰动作用,抑制了汽泡在加热板上的长大和聚集,加强了近壁区热流体和流道中央区冷流体之间质量、动量和能量的交换,对加热板表面的热边界层起到破坏和削薄作用,从而使汽液二相工况下的传热明显强化。由于纵向涡发生器作用距离远、结构简单,对平面或近似平面的窄间隙换热结构,具有良好的应用前景。     

竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性

为了研究竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性,建立了窄矩形通道内环状流的数学物理模型,并进行了实验验证。通过数值求解环状流的数学物理模型得到了环状流区域的压降梯度、沸腾传热系数和液膜内的速度分布。结果表明窄矩形通道内的环状流模型能够很好地预测环状流区域的压降梯度和沸腾传热系数,而且环状流液膜内速度在法向的分布是非线性的,在层流边界层区速度梯度较大。热通量和窄矩形通道的尺寸对液膜的流速有很大影响,随热通量的增加和窄矩形通道尺寸的减小液膜的流速逐渐增加,然而质量流速对液膜流速的影响较小,而且随质量流速的增加液膜的速度逐渐减小。     

鼓泡塔中液相环流速度分布模型

提出鼓泡塔中液相环流预测的一维流动模型和相应的湍流封闭关系式,并对模型求解方法进行了改进。通过模拟结果和文献数据的对比分析表明,环流速度与塔内液相的流型密切相关。在平稳鼓泡流和剧烈湍流两种流型下,应用本文推荐的涡粘系数关系式可预测液相环流速度的分布,精度令人满意。