竖直窄矩形通道内过冷沸腾传热模型

通过引入池式沸腾-流动沸腾汽泡脱离直径比对沸腾抑制因子S进行了修正,并将修正后的S引入Lee-Mudawwar过冷沸腾CHF模型,通过结合竖直窄矩形通道内的汽泡行为进行分析,建立了适应于竖直窄矩形通道的过冷流动沸腾传热模型,探讨了影响过冷沸腾传热系数的主要因素,并通过将模型预测值与实验值进行对比,验证了模型的可靠,表明当前模型可用于计算竖直窄矩形通道内的过冷沸腾传热特性。     

流动沸腾条件下窄通道内的汽泡生长和冷凝

针对过冷沸腾条件下窄通道内的汽泡生长和冷凝进行实验研究。实验中观察到了两类汽泡的生长和冷凝,分别称为第1类汽泡和第2类汽泡。其中第1类汽泡生长速度较快,且在滑移离开核化点之后迅速冷凝消失。而第2类汽泡的生长速度较慢,且滑移很长一段距离后也不会冷凝消失,具有更长的存活时间。两类汽泡的生长可采用不同的关系式进行预测,且生长冷凝特性均表现出很强的随机性,体现出汽泡周围环境的微小变化对汽泡行为的影响。     

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。     

窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内垂直上升流过冷流动沸腾区域汽泡脱离频率进行可视化实验研究。结果表明,汽泡脱离频率随质量流速的增大而减小,随入口过冷度的增大而减小,随热流密度的增大而增大。将实验数据与文献中汽泡脱离频率计算模型进行比较,发现基于池式沸腾和饱和流动沸腾开发的计算模型不能准确预测过冷沸腾区域汽泡脱离频率。本文以无量纲参数的形式,分别用液相雷诺数、过冷雅各布数和核态沸腾热流密度表示质量流速、主流过冷度和热流密度对汽泡脱离频率的影响,获得矩形窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率预测关系式,关系式的平均预测误差为±17.1%。     

窄流道内过冷流动沸腾汽泡凝结过程的数值模拟研究

建立过冷流动沸腾汽泡凝结质量及能量传递模型,采用流体体积法(VOF)多相流模型,对汽泡凝结过程进行数值模拟.模拟结果与相应条件下的实验结果吻合较好,误差在士20％之内,能够反映真实参数变化过程.根据模拟结果分析汽泡初始尺寸、过冷度和系统压力等因素对汽泡凝结行为的影响.结果表明:汽泡凝结时间与汽泡初始尺寸成正比;随着过冷...     

矩形窄缝通道近壁汽泡滑移和浮升可视化实验研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面拍摄、观察矩形窄缝通道内近壁汽泡滑移、浮升运动,发现在加热面倾斜朝上和竖直向下流动沸腾时汽泡易于浮升。汽泡浮升后,其运动速度迅速增加。由于浮升汽泡处于过冷流体中,其界面上发生冷凝,导致汽泡界面形状变化较大。基于可视化实验结果,从受力角度分析不同流动方式和加热面放置方式对近壁汽泡滑移和浮升的影响。     

基于分子动力学理论界面传质的过冷沸腾汽泡生长特性研究

基于分子动力学理论的准平衡态界面处界面蒸发/冷凝因素,以及汽泡底部微液层传热因素建立综合传热传质相变模型,对窄通道内汽泡过冷流动沸腾条件下的生长情况进行模拟。相变模型体现了汽泡底部微液层蒸发、近壁过热液体传热、汽泡顶部主流冷凝等多方面机制对汽泡生长的影响。模拟结果体现了汽泡底部微液层厚度的变化情况,与实验结果相吻合;微液层蒸发机制在汽泡生长初期对汽泡生长有较大影响,流道壁面效应对汽泡生长有显著影响。     

矩形窄通道内汽泡滑移与冷凝前期生长模型研究

矩形窄流道内汽泡生长会直接改变相界面浓度,从而影响流道的传热传质性能。为获得适用于窄流道内不同类型的汽泡生长模型,基于通体可视的实验本体,开展壁面沸腾流动换热实验。基于传热能量方程,研究过冷沸腾中汽泡滑移与冷凝前期两种情况下汽泡生长模型。实验结果表明汽泡呈现两种形式的生长,即汽泡滑移生长以及冷凝前期生长。建立了两种情况下的汽泡生长模型,实验数据验证模型误差在20%以内。因此,本研究能为沸腾两相数值模拟提供更加精细化的汽泡生长模型,从而提高汽泡行为的预测精度。     

窄通道中过冷沸腾汽-液界面凝结换热系数

采用高速摄像仪以5 000 fps的拍摄速度对竖直矩形窄缝流道内过冷沸腾的汽泡凝结过程进行可视化研究,结合相应的理论分析,并考虑对流换热以及热边界层增厚对凝结换热的影响,得到了无量纲汽泡直径β和界面凝结换热努塞尔特数Nu及其影响因素之间的关系式.与实验数据比较,预测误差在±25%以内.     

矩形窄通道内泡状流向搅拌流转变预测模型

在池式沸腾Helmholtz失稳模型的基础上,通过进一步的假设,构建流动沸腾条件下矩形窄通道内泡状流向搅拌流流型转变机理模型。基于调研的已有研究成果,得到矩形窄通道内汽泡可能稳定存在的极限尺寸,并由此得到泡状流向搅拌流转变的热边界条件。利用已有实验数据对该机理模型进行评价,该模型在低压条件下与实验数据符合得较好。     

竖直矩形窄缝通道内过冷沸腾传热特性的实验研究

以去离子水为工质,在进口压力为0.1~0.3 MPa、质量流速为200~1400 kg?m-2?s-1、热流密度为20~320 kW?m-2的参数范围内,对截面参数为50 mm×2 mm的竖直矩形窄缝通道展开了传热实验研究。实验获得通道内部工质由单相状态到过冷沸腾状态的传热过程曲线,将过冷沸腾段实验值与8个经验公式提供的预测值进行了对比与分析,采用相似原理以及回归分析法,建立了适用于竖直矩形窄缝通道的过冷沸腾准则关系式。研究结果表明,在竖直矩形窄缝通道内,热流密度对过冷沸腾传热具有主导作用;对于本实验的窄缝通道,Bertsch传热公式对于过冷沸腾段的预测效果相较于其他公式更好,本研究所建立的准则关系式与实验数据符合良好。因此,本研究建立的公式能够用于竖直矩形窄缝通道过冷沸腾传热系数的预测。      

矩形窄缝通道内滑移汽泡直径沿轴向分布特性实验研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内过冷流动沸腾滑移汽泡直径沿轴向分布特性进行可视化实验研究。实验捕获滑移汽泡沿加热面滑移并聚合的过程图像,并获得沿加热面轴向300、400、500 mm处滑移汽泡直径概率分布图。实验研究表明,窄缝通道中滑移汽泡直径沿轴向分布呈增大趋势;滑移汽泡沿加热面生长、滑移汽泡与未完成生长脱离的小汽泡的聚合,以及滑移汽泡间的聚合是滑移汽泡直径沿加热面轴向增大的重要原因。     

A unified model considering force balances for departing vapour bubbles and population balance in subcooled boiling flow

Population balance equations combined with a three-dimensional two-fluid model are employed to predict subcooled boiling flow at low pressure in a vertical annular channel. The MUltiple-SIze-Group (MUSIG) model implemented in CFX4.4 is extended to account for the wall nucleation and condensation in the subcooled boiling regime. A model considering the forces acting on departing bubbles at the heated surface is formulated. This model provides the capacity of complex analyses on the bubble growth and departure for a wide range of wall heat fluxes and flow conditions.Comparison of model predictions against local measurements is made for the void fraction, bubble Sauter mean diameter and gas and liquid velocities covering a range of different mass and heat fluxes and inlet subcoolings. Good agreement is achieved with the local radial void fraction, bubble Sauter mean diameter and liquid velocity profiles against measurements. However, significant weakness of the model is evidenced in the prediction of the vapour velocity. Work is in progress to circumvent the deficiency of the MUSIG boiling model by the consideration of additional momentum equations to better represent the momentum forces acting on the range of bubble sizes in the bulk subcooled liquid.     

基于气泡动力学的过冷流动沸腾边界层模型研究

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。过冷流动沸腾起始于ONB点,结束于Tsat点,中间被OSV点划分为高过冷流动沸腾段和低过冷流动沸腾段,不同阶段流场情况以及气泡行为存在较大区别。目前关于过冷流动沸腾过程的研究主要基于宏观实验、理论研究和数值模拟,随着气泡动力学的发展,从微观层面揭示沸腾机理变得可行。本文基于气泡动力学和气泡边界层模型,提出了一套预测过冷流动沸腾的理论模型,采用分相模型,将流场在径向上划分为多个区域,通过1组准二维控制方程,将各区域内的气泡行为,区域间的质量、动量和能量交换以及两相参数沿轴向的变化情况考虑在内,利用获得的边界层流场信息,可确定ONB点和OSV点。模型与空泡份额和流体温度的实验结果符合良好,并成功应用于核反应堆燃料元件通道的过冷流动沸腾计算。     

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。     

竖直矩形窄流道内空泡行为对压降的影响特性

对竖直矩形窄流道内的沸腾流动开展可视化实验研究,以探讨空泡行为对压降的影响特性。研究发现:在相同热工参数下,窄流道内的大量汽泡产生(OSV)点会早于常规流道出现。基于实验研究结果建立了计算窄流道内真实干度和空泡份额的关系式。窄流道内的空泡行为对压降有着重要的影响,且汽团形成会很容易造成窄流道的阻塞;然而,流道出口空泡份额的增加并不会导致总压降的单调性增加。