矩形通道内脉动层流相位差实验研究

对流量脉动条件下矩形通道内的相位差进行了实验研究，通过建立的脉动层流相位差数学模型，对脉动周期、脉动振幅、通道结构尺寸和流体性质等因素进行了分析，并将实验数据与理论模型结果进行对比。结果表明：矩形通道内，脉动层流的流量变化滞后于压降变化，存在相位差，该相位差仅与脉动周期、流道结构尺寸和流体性质有关，与压降相对振幅无关。     

低压自然循环复合流量脉动实验研究

在低压流动沸腾不稳定性实验中,研究了自然循环流动在不同入口过冷度下的演化过程。对实验中的流动沸腾不稳定性入口流量信号进行快速傅里叶变换,基于振幅和频率特性区分了3种流动脉动模式：小幅流量脉动、复合流量脉动和逆流。分析了加热功率和入口过冷度对自然循环不稳定性的影响。根据加热段出口水温变化得到了出口的流型变化,当流量波动振幅较小时加热段出口流体始终是饱和状态,而当流量波动振幅较大时,加热段出口为单相液体和两相混合物交替通过。给出了这3种流量脉动的边界图,分析了热流密度和入口过冷度对流量脉动模式的影响。结果表明：出口含气率大于0时发生流动不稳定性,热流密度达到间歇干涸型临界热流密度时发生逆流。     

矩形通道内脉动湍流流动特性实验研究

在流量脉动条件下,本文对矩形通道内的湍流流动特性进行了实验研究,通过理论分析,得到了影响脉动湍流的主要作用力和关键的无量纲数,分析了脉动周期、相对振幅等因素对流量与压降的相位差、压降-流量曲线、时均摩阻系数的影响,并与稳定流动状态下的流动特性进行了对比。实验结果表明:对于低频脉动湍流,压降驱动力、摩擦阻力和流体自身惯性力是影响流动特性的主要作用力;脉动湍流中,流量的变化滞后于压降变化,存在相位差;由于流体的惯性作用,脉动周期越小,流量脉动的幅值越小;速度相对振幅增大并超过临界值时,时均摩阻系数会显著增大。     

低压自然循环复合流量脉动实验研究

在低压流动沸腾不稳定性实验中,研究了自然循环流动在不同入口过冷度下的演化过程。对实验中的流动沸腾不稳定性入口流量信号进行快速傅里叶变换,基于振幅和频率特性区分了3种流动脉动模式:小幅流量脉动、复合流量脉动和逆流。分析了加热功率和入口过冷度对自然循环不稳定性的影响。根据加热段出口水温变化得到了出口的流型变化,当流量波动振幅较小时加热段出口流体始终是饱和状态,而当流量波动振幅较大时,加热段出口为单相液体和两相混合物交替通过。给出了这3种流量脉动的边界图,分析了热流密度和入口过冷度对流量脉动模式的影响。结果表明:出口含气率大于0时发生流动不稳定性,热流密度达到间歇干涸型临界热流密度时发生逆流。     

平行通道密度波不稳定性研究

本文针对套管式直流蒸汽发生器传热管环隙窄缝通道的流动,采用RELAP5程序对强迫循环并联通道的流动不稳定现象进行研究,指出在进口欠热度较低的条件下,并联通道系统会发生两种完全不同的不稳定现象,即同相密度波不稳定性和管间脉动不稳定性。对密度波不稳定性的发生条件进行研究,在较大的参数范围内确定了各系统参数的影响规律,最终得出流动不稳定边界。并对不同流量条件和不同压力条件下的不稳定性区间进行了比较。     

非对称加热下摇摆对并联双通道管间脉动特性的影响

采用理论分析与RELAP5/MC程序计算相结合的方法,研究了非对称加热条件下摇摆运动对并联双通道管间脉动特性的影响。结果表明,摇摆运动会引起周期等于摇摆周期以及1/2摇摆周期的流量波动,当摇摆引起的流量波动周期与系统固有热工水力振荡周期接近时,会发生共振效应,从而使密度波振荡提前发生。增大摇摆幅度及通道到摇摆中心的距离可增强流量波动幅度,降低系统稳定性。     

矩形通道内层流脉动流动相位差分析

通过建立数学模型,对大宽高比矩形通道单相低频脉动层流流动特性进行了分析。研究结果表明：低频率流量脉动未引起流体的速度分布变化,压降与流量间存在相位差,相位差仅与通道窄边尺寸、流体粘性及脉动周期相关。脉动周期及流体粘性越大,相位差越小;窄边尺寸越大,相位差越大。通过建立模型对上述现象进行了分析。     

矩形通道自然循环流动不稳定性实验研究

分别对40×5 mm和40×10 mm矩形通道内自然循环不稳定性进行了实验研究,得到了自然循环流量随加热功率的变化。结果表明:系统流量与压差的周期是相同并且反相;在矩形通道内,边角位置及二次流的存在,矩形通道会使流体的扰动加强,换热系数增加,特别是在饱和区域内,气泡与流体之间的扰动增强,容易形成搅拌流;5 mm通道与10 mm通道相比,由于其通道更窄阻力更大,在过冷区域更不容易形成稳定自然循环,且流动不稳定性的脉动更剧烈。     

矩形通道内两相脉动流平均摩擦压降实验研究

通过对截面为40 mm×3 mm窄矩形通道内不同正弦脉动周期、振幅、平均流量工况下氮气 水两相流（平均分液相雷诺数Re_l<10 000,平均分气相雷诺数Re_g<800）进行实验研究,发现两相脉动流与单相水脉动流的规律不同,平均压差对脉动周期、振幅不敏感。应用各经验公式计算的脉动工况下平均摩擦压降的偏差与稳态工况的计算偏差在数值和分布上均无明显差异,且计算值分布在测量值两侧、相对偏差基本小于20%。其中,Mishima-Hibiki方法和Lee-Lee方法的计算结果与测量结果吻合良好,相对偏差在10%以内,说明两相流摩擦压降经验公式同样适用于脉动工况下平均摩擦压降的计算。     

超临界锅炉并联倾斜内螺纹管两相流密度波型脉动数值研究

采用一维均相流模型,运用Clausse和Lahey提出的非线性两相流垂直上升单管分析法,考虑倾斜角度、内螺纹管因素,发展了多管道系统不稳定性理论模型;对超临界锅炉并联倾斜内螺纹双管汽-水两相流密度波型脉动进行了理论分析和求解.采用时域法求得密度波型脉动发生时,试验段进口质量流量在各个时间点的数值.根据流量随时间发散或收敛的趋势,判断得到发生脉动的阈值.对脉动时的周期、振幅等特征值进行分析,得到进口质量流量随时间的变化规律.计算得到的各工况下的脉动周期范围大多在5～16 s之间,与实验所得的7～19 s 基本吻合.比较可得,该模型的计算结果与试验数据符合较好,可用于判定是否发生密度波型脉动,为确定锅炉安全运行时的水冷壁参数提供参考.     

Density Wave Instability of Sodium Boiling Two-phase Flow in a Vertical Annulus at Low Pressure

Experiments of density wave instability in a sodium boiling two-phase flow in an annulus were carried out with the parameters of heat flux from 80 to 976kW/m², inlet subcooling from 25.6 to 226.8°C, mass flow rate from 7.92 to 68.9 kg/h, and system pressure from 2,600 Pa to 0.06 MPa. It was found that the density wave instability occurred in the case of low exit quality, and the oscillation of flow rate was so large that the flow would be reversal. The lower inlet temperature, the higher system pressure and the larger mass flow rate could result in a more stable boiling two-phase flow. The oscillation period of the instability increased with the system pressure and the inlet subcooling, but it decreased with the mass flow rate. A correlation for the onset condition of the density wave instability was obtained from the experimental data.     

低质量流速垂直并联内螺纹管密度波型不稳定性试验

在高压汽-水两相流实验台上进行了低质量流速垂直并联内螺纹管密度波型不稳定性的试验研究,观察到了垂直并联内螺纹管气-液两相流密度波型不稳定性的一些主要特征。在试验参数范围内就热负荷、系统压力、质量流速、进口过冷度和不对称加热对密度波型不稳定性的影响进行了研究和分析。同时根据试验结果,采用均相流模型得到了密度波型不稳定发生的界限关系式。     

Prediction of unstable behaviour in a heated channel with water at supercritical pressure by CFD models

The paper presents the results of the application of computational fluid dynamics in the prediction of unstable behaviour in heated channels containing supercritical fluids. The work is conceived to extend and discuss previous work made with one-dimensional codes, taking profit of the greater detail provided by CFD.

In particular, a single channel with cross section area and heating power similar to those proposed for typical supercritical reactor core subchannels is addressed. To search for unstable behaviour, constant pressure drop boundary conditions are imposed across the flow duct and the heating power is slowly increased up to the point at which inlet and outlet flow rates are seen to oscillate, with a pattern typical of density wave instabilities.

Two different turbulence models are adopted, being the standard k–ε model equipped with wall functions and a low-Reynolds number model. The effect of inlet and outlet singular pressure drops is also assessed. Recently introduced dimensionless numbers are adopted to define the threshold of the unstable behaviour. Comparison with the results from one-dimensional models is also made to ascertain the level of agreement or discrepancy.

These first results on the prediction of instability in heated channels at supercritical pressure by CFD also provide information about the possibility of cyclic occurrence of heat transfer deterioration and restoration during flow oscillations.     

基于一维漂移流模型的并联矩形双通道密度波流动不稳定性数值模拟

基于一维漂移流模型构建了并联矩形双通道密度波流动不稳定性数学模型。模型中采用Zuber推荐的经验关系式计算两相流体空泡份额,采用Chisholm关系式和中国核动力研究设计院自拟关系式计算两相流体的摩擦压降。求解过程中将质量方程、能量方程与动量方程解耦,并在计算域内沿流动方向依次求解方程组。计算过程中,首先开展稳态计算,在稳态解的基础上,通过添加流量或功率扰动,诱发流体周期性振荡,通过辨识瞬态计算中得到的流量振荡模式来获得流动不稳定边界。采用数值计算获得的密度波脉动图像与实验中观察到的密度波脉动现象的特征基本一致。最后,针对16组典型实验工况开展数值模拟,结果表明,大部分工况下计算不稳定界限热流密度与实验值的相对偏差小于±20%。     

高温气冷堆蒸汽发生器两相流不稳定性预报

论述了蒸汽发生器立式上升流动螺旋管内高压汽－水两相流不稳定性试验研究。研究结果表明，螺旋管中存在压力降型、密度波型和热力型脉动。采用无因次分析法得到了预测系统稳定的经验关系式，并得到了判断系统稳定性的界限图。同时对蒸汽发生器立式下降流动螺旋管与立式上升流动螺旋管的不稳定性进行了比较。最后对实际蒸汽发生器两相流不稳定性进行了预报。     

并联双通道密度波不稳定性实验研究

采用两个相同的加热通道构成试验段,进行并联双通道密度波不稳定性实验研究。主要研究系统压力、质量流速和入口过冷度对流动不稳定性的影响,并给出过冷度-相变数边界。     

开式自然循环系统启动特性研究

针对开式自然循环系统启动特性进行了实验研究。实验表明:不同加热功率下,开式自然循环系统会经历不同的流动演化过程。低加热功率下,系统经历单相循环、喷泉不稳定,最终演化为闪蒸不稳定;中等以及高加热功率下,系统依次经历单相循环、喷泉不稳定和沸腾伴随闪蒸不稳定后,分别演化为稳定的汽液流动和密度波振荡。导致启动过程流动演化的主要原因是随着加热管入口水温的升高,管内沸腾现象持续增强,上升段内闪蒸现象则先增强而后减弱,两者相互作用,导致系统流量、相变位置及空泡份额等发生明显变化。最后,绘制了开式自然循环启动过程的无量纲化流动不稳定区域分布图,并拟合得到了喷泉不稳定及闪蒸主导的不稳定起始边界的经验关系式,拟合结果与实验结果符合良好。     

Two-phase instability analysis in natural circulation loops of China advanced research reactor

In this paper, two-phase flow instability in natural circulation loops of China Advanced Research Reactor (CARR) has been investigated. CARR is a low pressure and low power density research reactor. A natural circulation instability analysis model is developed for the natural circulation loop of CARR. The homogeneous flow model is used to establish the system control equations. The non-uniform heating and subcooled boiling heat transfer is included. The accumulation heat of the wall is also included. Numerical method of Gear is employed to solve the system equations documented in terms of ordinary differential equations. According to the calculation results, stability maps of the natural circulation loop, which confirm the presence of an instability region under the conditions of low equilibrium quality in the outlet and low pressure, are obtained. It is a special kind of density wave oscillation (DWO) that occurs in very low equilibrium quality region with the characteristics of geysering and ‘Type-I’ DWO at the same time. The calculation results show such oscillation course clearly. The variations of the mass flow rate, the pressure drop and the boiling boundary are analyzed separately. Especially, the phase-space trajectory of the boiling boundary and the mass flow rate is discussed. Finally the oscillation frequency is discussed. The calculated results have important significance for the safety operation and accidental analysis of CARR.     

单棒通道流动振荡诱发沸腾临界可视化实验研究

为深入分析沸腾两相流动振荡诱发沸腾临界的影响特性,本文以去离子水为工质,横截面19 mm×19 mm、中心为外径9.5 mm的单棒通道为研究对象,通过在不同热工参数下开展沸腾两相流动特性可视化实验研究,结合汽泡行为和汽-液界面特性,分析流动振荡诱发沸腾临界的影响特性。研究结果表明,低压力、低质量流速和低入口过冷度下,极易出现流动振荡,并导致沸腾临界提前发生,此时的临界热流密度与稳定工况下相比明显偏低;随着壁面热流密度不断增加,流道中两相流型先后出现泡状流、弹状流、合并弹状流、搅混流、剧烈搅混流、不稳定环状流;当流动出现剧烈振荡时,流道存在回流;发生沸腾临界时流道压降波动最大,对应的流型为不稳定环状流。因此,单棒通道内流动振荡可能会导致沸腾临界提前发生。