两相横流作用下的旋转三角形管束流弹失稳研究

为了较为准确的预测两相流作用下圆柱管的失稳临界流速，采用试验测量的两相流准稳态流体力系数，对单向流的准稳态模型进行扩展，建立了气-水两相流作用下的旋转三角形管束中间悬臂自由管的动力学模型，运用Galerkin方法对方程变量进行离散后，求解特征方程得到了不同空泡份额的临界流速，并运用龙格-库塔法求解动力学方程得到位移时程响应。数值结果表明，临界流速随着空泡份额的增大而增大，且所建模型计算结果与试验测量值较为吻合。因此，本研究所建模型可用于两相横流作用下的旋转三角形管束流弹失稳临界流速预测。      

蒸汽发生器传热管束流弹失稳现象中的基础力学问题研究

为探讨管束的流弹失稳机理以及支承方式、内流载荷对流弹失稳的影响机制,本文综合考虑定常流弹力、内流激励和非定常流体力对传热管流致振动的影响,建立了复杂流体激励作用下传热管流致振动的理论模型,通过特征值稳定性理论获得了两相横流作用下的传热管流弹失稳机制,系统地分析了内流激励和非定常流体力对传热管流弹失稳机制的影响。研究表明,支承方式会影响失稳临界流速,但不会影响流弹失稳机制;管内流会使管束各阶模态耦合,高速内流会改变管束的失稳机制;非定常流体力作为一种强迫力在流弹失稳之前,可能引起管束的“拍振”现象,在工程设计时应考虑避免。     

两相流作用下管束流致振动的3个关键力学问题

换热装置中的管束在流体力作用下会产生流致振动,过度的流致振动会导致换热器部件的损坏。尤其是核蒸汽发生器的U型弯管段处于两相流作用下,由于两相流和管束结构的复杂性以及两相流与复杂管束的强耦合作用,在研究两相流作用下的管束流致振动问题时,存在以下3个关键力学问题及难点:两相流力学模型的建立;流致振动关键动力学参数的获取;两相流流致振动机理的研究。将针对以上3点问题对管束两相流流致振动的研究进展进行综述和讨论,并提出待解决的问题。     

管束间空气-水两相流激振力特性及归一化方法研究

利用管束间空气-水两相流激振力的实验数据,研究了两相流激振力的部分特性,分析了混合物流速、空泡特征长度等两相流参数对两相流激振力的影响。结果表明,两相流激振力约与界面流速、混合物密度和混合物运动黏度呈正比,泡状流下激振力随气泡直径线性增长,证明两相流激振力的无量纲归一化可采用气泡数率作为频率缩比参数。基于上述两相流激振力的特性,从方便工程应用角度给出了两相流激振力的无量纲归一化方法,获得了较好的归一化效果。     

基于UDF的二维管束流弹失稳模拟研究

针对现有流弹失稳模拟研究中的流固耦合模型存在计算精度较低、计算成本巨大的问题,建立了一种可以预测管束临界流速的二维单向流固耦合模型,该模型基于商用ANSYS Fluent软件,通过SST k-ω湍流模型进行流场计算,再由自编译的用户自定义函数（UDF）提取管子所受的流体力,并利用4阶Runge-Kutta法求解结构动力学方程实现单向流固耦合计算。利用该模型对节径比为1.5的转角三角形排布管束进行了流固耦合计算,得到了中心管的临界流速、振幅时程曲线及振幅频谱图,并通过水洞实验进行了验证。结果表明,本模型以较低的计算成本准确地预测了临界流速,同时也获取了管子真实的振动特征,模拟计算的中心管振幅时程曲线及振幅频谱均与实验相近。此外,模拟计算获取的阻力和升力系数数据表明,随着流速增大,阻力和升力系数时程曲线经历了从紊乱到规律的变化,换算流速达到2.44时,阻力和升力系数主频包含管子在静水中固有频率的成分。      

CFD与准静态理论混合的管束结构流弹失稳预测方法

为开发一种不依赖实验而预测管束结构流体弹性不稳定性（简称流弹失稳）的方法。采用计算流体力学（CFD）方法获取阻力、升力系数及其空间导数,并将3者代入预测流弹失稳的准静态理论中,提出了一种适用于管束结构的混合流弹失稳预测方法,此方法考虑了管束在横流和顺流2个方向上的不稳定性;以正三角形管束为例,计算了2种节距比（P/d）下流弹失稳特性。结果表明,基于本文提出的CFD与准静态理论混合的弹性管束结构流弹失稳预测方法,可以在不需要实验的情况下获得管束结构发生流弹失稳现象的临界速度;采用此方法计算的流弹失稳结果与文献中的实验结果吻合良好。      

管束通道内沸腾两相流特性的研究

以R113为工质,采用高速动态分析仪对垂直管束通道内的沸腾两相流型及其转变特性进行了实验研究。对管束狭窄通道内沸腾两相流型进行划分,并与圆管内的两相流型进行比较,在此基础上对通道几何形状及物理参数对管束通道内沸腾两相流型及其转变特性的影响进行分析,为进一步对管束通道内流型判定、沸腾换热及阻力压降的研究奠定了基础。     

垂直上升横掠水平管束的两相流空泡份额模型研究

与管内两相流空泡份额模型相比,垂直上升横掠水平管束的两相流空泡份额研究成果相对有限。利用垂直上升的气-水两相流横掠水平管束的实验数据,对现有的空泡份额计算模型进行对比分析,并对2种现有模型的拟合公式进行修正。采用其他实验结果对本文重新修正的空泡份额模型进行验证,结果表明:与原始模型相比,修正的空泡份额计算模型给出的空泡份额预测值更好。     

支承板支撑多跨管束流致振动试验研究

本文针对支承板支撑4跨传热管直管束开展流致振动基础试验。试验件由49根旋转正三角形布置的模拟传热管组成,传热管两端固定,中间3处采用支承板支撑。试验测量获得了单向横流冲刷和双向横流冲刷下不同进口流速传热管束的振动特性,获得振幅、频率、临界雷诺数等关键信息。结果表明,双向横流冲刷下的传热管较单向横流冲刷下的在更低雷诺数下发生失稳,两种流动方式下传热管发生失稳时加速度峰值频率均为104Hz,该值与单跨两端固支模型的理论计算固有频率非常接近。研究结果可为传热管束流致振动数值模拟分析提供验证。     

影响管阵流体弹性不稳定性因素的研究

研究了管阵中管数,纵向流的作用以及U形管等对管阵流体弹性不稳定性的影响。介绍了用求解模态展开后的振动方程计算管阵的临界流速的方法。给出了简化处理耦合问题的单一振型法和频率截断法。并推导出考虑非均勻流、纵向流存在和U形管的基本方程。     

U型管高压汽-液两相流动密度波型不稳定性的实验研究

在系统压力P=4～10MPa,质量流速G=450～1200kg／m~2·s,人口过冷度△T_(sub)=10～70℃,热负荷q=O～650kW／m~2的工况范围内,采用φ20×2mm的23Crl8Ni不锈钢U型管,在高压试验台上进行了密度波型脉动的研究;分析了系统压力、质量流速、入口过冷度、热负荷对它的影响。结果表明,随着压力的增加,系统稳定性增加;随着质量流速增加,界限热负荷增加,界限干度下降;进口过冷度对密度波型脉动呈现单值性影响,随着进口过冷度下降,界限热负荷降低。根据实验结果及量纲分析,得出了预测界限热负荷的无因次关联式,与试验值相比,误差在15％以内。     

周期性力场作用下窄通道内两相流压降特性

通过实验研究了摇摆造成的周期性附加惯性力作用下矩形窄通道内空气 水两相流压降特性。按分液相雷诺数将流动分为层流区（Re_f <800）、过渡区（800≤Re_f≤1 400）及湍流区（Re_f >1 400）3个区域,并对各区域内附加压降、重位压降和摩擦压降平均值及瞬态值进行了比较。结果表明,附加惯性力对窄通道内两相流整数倍周期内平均摩擦阻力无明显影响。周期性附加惯性力作用下(摇摆周期16 s,摇摆振幅30°),层流区及过渡区气相表观速度、液相表观速度、质量含气率及摩擦压降随时间周期性波动,波动周期等于摇摆运动周期;瞬时摩擦压降相对于其平均值的波动幅值随气液两相流速的增加而减小。湍流区两相流动参数周期性波动不明显。     

Two-Phase Flow Instability at Low Flow Rate Conditions

Instability of two-phase flow at low flow rate conditions is investigated analytically and experimentally. By applying the drift flux model, a linear analysis is conducted to study the effect of slip which is considered to play an important role at low flow rate conditions. Results obtained are compared with those of other analytical works and the reason for apparent variations is discussed. Some notes are also given on the lumped parameters which govern instability characteristics, and on the often-observed relation between the period of oscillation and the transit time.

Experiments are conducted using R-113 at the test fluid. The results are analyzed in terms of the stability boundary and the period of oscillation. In the analysis it must be assumed that the flow is laminar. It is found that the instability observed experimentally is typical in the gravity term of the heated section is the dominant destabilizing term in the momentum equation.     

并联管内压力降型水动力不稳定的试验研究

在高压汽水回路上对3根并联蒸发管内两相流压力降型水动力不稳定进行了试验研究．分析了系统压力、质量流速、入口过冷度、出口节流和上游可压缩容积对压力降型不稳定的影响。得出了压力降型不稳定的脉动起始点,给出了3根并联管中计算不稳定起始条件的无因次经验公式,为大型电站锅炉和蒸汽发生器的设计提供依据。     

管束间多维两相瞬态流动数值模拟

提出一种用于管束间多维两相瞬态流动问题的两流体计算模型及方法。通过引入多孔介质和分布阻力的概念建立拟连续介质的两流体N-S方程,并在多维交错网格上采用全隐格式离散方程,应用强隐式算法(SIP)求解代数方程组。为验证该算法,对釜式再沸器实验进行数值模拟,计算结果与实验值符合较好,表明该算法在数值上可以克服两相不稳定性,适用于模拟管束间多维两相瞬态流动。     

摇摆状态下入口段和上升段对两相流动不稳定性的影响

本文对摇摆状态下并联多通道系统的两相流动不稳定性进行了初步研究。重点讨论了在摇摆状态下的并联通道入口段和上升段对管间脉动不稳定性的影响。以均匀流模型为基础,采用控制容积积分法建立了并联多通道的分析模型并建立系统方程组,同时考虑了摇摆状态的影响。用吉尔方法对系统方程组进行求解,得到了并联多通道系统在摇摆状态下的不稳定边界。发现在一定的摇摆状态下两相流动不稳定区域会同时出现在低含汽和高含汽两个区域,在高含汽率区域某些工况下会出现倍周期现象。