球形燃料孔隙内汽泡生长与脱离

根据汽泡动力学原理及可视化试验结果,分别构建了球形燃料孔隙内的汽泡滑移和脱离模型,并对汽泡受力及传热进行分析,通过计算得到了汽泡滑移临界曲率半径、汽泡脱离半径的变化规律。汽泡滑移时的临界半径主要受颗粒大小影响,颗粒越大,汽泡的相对临界半径r_cr/R_p越小。颗粒半径对汽泡脱离半径的影响最大,颗粒半径越大,汽泡的相对脱离半径r_d/R_p越小。流速、压力、壁面过热度对汽泡脱离半径也有影响,其他条件相同时,流速越大,汽泡脱离半径越小;压力越大,汽泡脱离半径越大;壁面过热度越大,汽泡脱离半径越大。     

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。     

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。     

过冷流动沸腾中汽泡脱离直径的理论研究

汽泡脱离直径模型是壁面沸腾计算中的一个重要子模型。为了正确预测过冷流动沸腾中的壁面传热情况,研究结合新改进的汽泡生长模型,采用力平衡方法对过冷流动沸腾中的汽泡脱离直径进行了模拟。汽泡生长模型同时考虑了微液层、过热层和汽泡顶部过冷液体层对汽泡生长所做的贡献,并采用饱和沸腾与过冷沸腾2个实验对其进行了验证,结果表明预测曲线与实验值吻合良好。另外,选取了3个过冷流动沸腾实验来验证汽泡脱离直径模型,模拟结果均在可接受的误差范围内。     

竖直矩形窄缝通道内近壁滑移汽泡运动特征研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面立体可视化观察了滑移汽泡的运动特征.研究结果表明:汽泡脱离核化点后都沿加热面平行滑移,在低热流密度下存在典型滑移汽泡现象.滑移汽泡形状总体呈球形,其前后接触角相差不大.汽泡脱离后初始一段时间内,滑移汽泡速度增加的较快,一定时间后,其速度值超过了当地流体速度.随着运动时间的继续增加,滑移汽泡基本...     

窄缝通道内汽泡界面参数对脱离直径预测的影响

通过汽泡受力分析,构建窄缝通道内汽泡脱离直径预测模型。基于可视化实验获得的汽泡轴心倾斜角、前后接触角以及底部接触直径等数据,评价分析汽泡界面参数对脱离直径预测的影响,进而确定适用于本实验工况下窄缝通道内汽泡受力模型求解的界面输入参数,获得了窄缝通道汽泡脱离直径的预测值。利用竖直和倾斜条件下可视化实验获得的58个数据对汽泡脱离直径预测模型进行了验证,预测值和实验值符合较好。基于验证的汽泡脱离直径模型评估了各个力的地位和作用,应用分析了热工参数对汽泡脱离直径的影响。     

摇摆运动对过冷沸腾流体中汽泡受力的影响

摇摆运动引起的附加加速度会对过冷沸腾汽泡的受力产生影响.计算分析发现,附加加速度对汽泡本身的影响相对汽泡所受的其他力可以忽略不计;附加加速度会引起流量的波动,而汽泡受力大小和流量有密切的关系.本文计算了摇摆运动下的汽泡受力,并与不摇摆时的进行了比较,发现摇摆运动对汽泡受力的影响很大,这样会使汽泡脱离点位置发生明显的改变,进而影响沸腾换热.     

水平流动沸腾近壁汽泡滑移速度预测及分析

滑移汽泡对提高通道内的换热有重要作用,为建立合理的机理模型,需深入了解滑移汽泡的运动特征.通过对水平流动沸腾下近壁滑移汽泡进行受力分析,研究建立了滑移汽泡动量守恒方程,通过数值求解,获得了近壁滑移汽泡的速度,并与Maity的试验数据进行了比较分析,两者符合较好.模型预测结果表明:随着时间的增长,滑移汽泡的速度逐渐增加,但增加的趋势逐渐变缓;汽泡浮升时,滑移汽泡的速度低于当地液相的速度,表明在该情况下,曳力和汽泡生长所产生的附加质量力为汽泡滑移的动力,剪切升力为汽泡浮升的动力.     

起伏运动对加热壁面汽泡受力的影响分析

分析起伏运动条件下过冷沸腾垂直上升流中壁面汽泡的受力,研究垂直方向加速度的变化对壁面汽泡浮力的直接影响,以及垂直方向加速度的变化引起系统流量的波动对汽泡受力的间接影响.起伏运动条件与静止条件下汽泡受力的对比计算分析表明,起伏运动对自然循环回路中汽泡受力的影响大于强迫循环下的影响;起伏运动对自然循环的影响取决于流量的波动...     

微尺度核态沸腾汽泡聚合特性研究

从微观角度深入探究汽泡的生长、聚合及传热规律,采用数值仿真的方法,建立相变物理模型。将建立的模型嵌入计算流体动力学(CFD)软件,利用流体体积函数(VOF)相界面追踪方法,对汽泡的生长、运动、聚合及脱离进行探究。设立1个尺寸为3 mm×2 mm×2 mm的三维微型通道,底部壁面设置5个单元,用于加热并对汽泡底部热流密度进行监测。获得微通道加热条件下汽泡的合并运动形态和底面热流密度分布,并与实验观测值比较。通过对汽泡形态的模拟和底部热流密度的监测,建立汽泡动力学规律与底面热流密度分布的关系,进一步深化对汽泡合并的动力学规律和沸腾传热机理的认识。     

低压下水欠热流动沸腾的两相CFD数值模拟研究

采用两流体(汽相和液相)基本数学模型,结合汽相和液相之间的界面传热、传质和动量交换封闭模型、汽泡平均直径模型、汽泡脱离直径模型、汽泡成核模型、汽泡脱离频率模型、欠热沸腾起始点模型和壁面热流密度分配模型,在CFD软件CFX4.4中采用用户自定义函数将相变引起的传热、传质和动量交换作为源项分别添加到汽相和液相的能量、质量和动量守恒方程中,对低压下内管加热外管绝热的环形通道内的欠热沸腾进行了数值研究,得到了欠热流动沸腾下汽相体积份额、液相速度、汽相速度分布等。采用Lee等的环形通道内低压下欠热沸腾体积份额实验数据对计算结果进行了验证,吻合良好。     

窄通道内的汽泡核化以及滑移汽泡的影响

针对不同压力下窄通道内的过冷流动沸腾汽泡核化进行了实验研究,通过高速摄影技术观察了汽泡的核化和滑移过程。实验结果表明,与常规通道有所不同,窄通道内的汽泡一般不会离开加热壁面而产生浮升现象,汽泡主要沿加热壁面进行滑移运动。不同压力条件下的汽泡核化有较大的差别,较低压力条件下汽泡核化点沿加热壁面分布比较均匀,而压力升高后的汽泡核化点主要集中在沸腾起始点附近,下游核化点数目则相对较少。核化点分布形式的不同主要是由不同压力下汽泡滑移特性的不同所导致的。     

摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径实验研究

以去离子水为工质,可视化研究了矩形窄缝通道内不同质量流速下摇摆运动对汽泡脱离直径的影响。研究结果表明,由于摇摆运动引起的局部流场波动,汽泡生长过程变得不稳定,且汽泡脱离直径在一定范围内波动,这种效应会随质量流速的增大而减弱。线性拟合发现,摇摆角位移为0°时,汽泡脱离直径有最小的趋势。     

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明，汽泡在核化点生长时，汽泡底部与加热面存在一小的接触面，总体而言，汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下，不同核化点处汽泡生长规律基本相同，但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小，脱离时间较长，可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内，统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随入口欠热度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随主流速度的增加，汽泡平均脱离直径减小。     

摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径模型构建及分析

在静止条件下汽泡脱离直径预测模型的基础上,引入摇摆条件引起的瞬变外力场,构建了摇摆条件下汽泡脱离直径预测模型,通过实验数据进行验证,结果符合较好。通过受力分析发现,摇摆运动引起的浮力波动必须予以考虑。模型计算发现：角位移θ=0°时,汽泡脱离直径最小;而质量流速越大,这种趋势越不明显。如果系统存在5%以上的流量波动,则其对汽泡脱离直径的影响必须加以考虑。     

强制对流过冷沸腾流体中汽泡脱离频率

在垂直上升环形通道内进行强制对流过冷沸腾实验。实验工质为水，实验压力为大气压力。由一台高速摄像仪对汽泡核化的动力学过程进行图像捕捉。通过影像获取总共58个工况下的汽泡脱离频率。对本实验的数据和从文献中获取的数据进行无量纲分析。将已有的模型和关系式与汽泡等待时间、生长时间以及脱离频率等实验数据进行比较。由池式沸腾改进的关系式未能很好地应用于强制对流过冷沸腾，同时，由过冷沸腾提出的模型也不能预测宽实验参数范围内的汽泡脱离频率。无量纲汽泡脱离频率与无量纲泡核沸腾热流密度相关。新的关系式与现有的低壁面过热度下的实验数据吻合良好。     

竖直窄流道内过冷流动沸腾的汽泡生长过程流场特性分析

采用VOF模型建立了过冷流动沸腾中的汽泡生长模型,使用UDF接口自编程序,对汽泡生长过程进行了数值模拟。考虑了主流速度、主流过冷度、壁面过热度、汽-液接触角等对汽泡生长过程的影响,获得了过冷流动沸腾条件下汽泡生长曲线,并与相应实验条件下的实验结果进行了对比,同时对汽泡的生长过程中的汽泡内外的流场进行了分析。     

流动沸腾汽泡脱离直径尺寸分布研究

沸腾是一个复杂的换热过程，大量实验表明，不同核化点的脱离直径存在区别，即使在同一工况下，同一核化点产生的汽泡脱离直径也会大小不一，因此汽泡尺寸分布不可忽略。尽管目前已有较多用于汽泡平均尺寸的计算关系式，但对于尺寸分布的研究仍较少。因此，本文针对流动沸腾下汽泡脱离直径的尺寸分布进行研究，对比常用的伽马函数和正态分布函数描述这一分布时的准确度，确定概率函数后，再对概率密度函数中两个重要的参数均值和标准差进行分析，最后得到一套预测不同工况下汽泡尺寸分布的关系式，该关系式准确度较高，并考虑了壁面过热度、质量流速等因素的影响。     

内螺纹管临界热流密度预测与数值计算

基于壁面汽泡壅塞理论,针对近临界压力区两相流动沸腾的偏离泡核沸腾(DNB)现象,对垂直上升内螺纹管的DNB型临界热流密度(CHF)进行了数值计算研究。以内螺纹管为分析对象改进已有的汽泡壅塞模型,计算了汽泡层区与主流区的极限传递质量流量、湍流速度分布、汽泡层区临界截面含气率等本构关系,汽泡脱离直径的计算考虑了汽泡接触角的影响。本文模型还根据大量CHF实验数据拟合得到了新的α_b关联式。最后,基于Fortran语言编制了CHF的理论预测数值模型程序,研究分析了压力、质量流速、热平衡干度及进口欠焓对CHF的影响,并根据CHF查表值对本文模型进行评估,同时将实验得到的内螺纹管CHF数据与采用Bowring模型、Katto模型、Shah模型和本文模型计算的CHF进行比较,发现本文模型的误差最小,与实验值吻合结果较好,说明本文模型能较好地对垂直上升内螺纹管DNB型CHF进行预测。     

摇摆对过冷沸腾相分布特性的影响机理分析

采用双探头光学探针测量了摇摆条件下圆管内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,根据实验及计算结果,从汽液相界面作用力角度对摇摆运动条件下过冷沸腾相分布机理进行了分析。结果表明：摇摆条件下,浮力径向分量、升力、湍流分散力和壁面润滑力量级约为10³ N/m³,附加惯性力与其余诸力相比小2～3个量级。因此摇摆条件下过冷沸腾相分布特性主要取决于周期性波动的升力、湍流分散力、壁面润滑力及浮力径向分量之间的平衡关系。