过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响

为研究过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响,利用高速摄像机记录不同过冷度下过冷池中蒸汽气泡凝结过程。实验结果表明:在低过冷度(ΔTsub=17K)下,蒸汽气泡界面波动发展缓慢,气泡不会破碎,而是逐渐分裂凝结;在高过冷度(40KΔTsub75K)下,蒸汽气泡表面上的波动剧烈发展,随后气泡会突然破碎,并形成大量微气泡;在ΔTsub=30K时,气泡突然破碎前会有小气泡分裂现象发生。40KΔTsub75K时气泡破碎形成的微气泡的直径和速度在量级上与气泡微细化沸腾区域的微气泡接近。随过冷度的升高,微气泡的直径减小,速度增加,且蒸汽气泡破碎前其表面上波动的波数迅速增加,波动的最大幅值先增加后减少。     

下沉加热面上气泡微细化沸腾实验研究

为分析加热面相对位置对气泡微细化沸腾（MEB）的影响,对下沉加热面上的过冷沸腾进行了实验研究,并与齐平加热面实验结果进行了对比。25～50 K过冷度范围内,在下沉3 mm加热面上观察到了MEB现象。在50 K过冷度下,MEB时的热流密度可达5.55 MW/m²。可视化结果表明：在MEB区域,下沉加热面上形成的蒸汽气膜会频繁地膨胀收缩;随过冷度的升高,膨胀收缩的周期增加,而幅值变化较小。此外,相比于齐平加热面条件,下沉加热面周围的壁面可显著限制蒸汽气膜的横向膨胀。     

微细化沸腾传热实验研究

气泡微细化沸腾是沸腾到达某个临界热负荷后,加热面温度升高不大,与该临界热负荷相比,热流密度大幅提高的沸腾现象。本文在设计完成一可视化实验装置的基础上,通过高速摄影仪观察并结合采集的壁温数据,对常压下直径为10 mm铜加热面上的池式气泡微细化沸腾现象进行了研究,并讨论了液体过冷度对其的影响。实验发现,气泡微细化沸腾状态下,加热面上生成1层极其不稳定的气膜,气液交界面上不停地有大量微小气泡生成并以极高速度射入过冷液体中。随加热面热流密度的增大,气膜厚度波动周期缩短,气膜最大厚度减小,所生成微小气泡的直径也明显减小。实验中获得的最高热流密度达9 MW/m²。     

有限深度液体中气泡破碎的参数影响

在改进气泡破碎数理模型的基础上,研究了流体粘性力、气泡壁初始速度、有限液面高度、液面压力、液体密度等因素对气泡破碎的影响规律.数值计算结果表明,气泡临界破碎条件与这些因素密切相关.随着液体深度的增大,气泡更容易破碎,当液体深度大于气泡半径的100倍时,液体深度对气泡破碎临界条件几乎无影响,此时可以近似认为气泡位于无穷深液体中;当气泡壁初始速度为0m/s时,气泡不容易破碎;气泡具有初始收缩的速度时,气泡最容易破碎;随着气泡壁初始速度的绝对值、液体表面压强和液体密度的增大,气泡也更容易破碎.     

气泡微细化沸腾传热特性

气泡微细化沸腾(Micro-bubble Emission Boiling,MEB)是一种特殊的过冷沸腾现象,当其发生时加热面的热流密度会远高于临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF)。根据采集到的可视化沸腾资料,对MEB的传热机理进行了分析。结果表明,MEB发生时,加热面上不稳定气膜的周期性破裂,破坏了过热液层,导致了良好的气液置换对流换热。考虑MEB的特殊传热过程,对Rohsenow关系式中部分项进行修正,并根据最小二乘法对实验数据进行拟合,得到了适用于10 mm铜加热面上的MEB沸腾关系式,误差不超过±15%,可满足一般的工程计算要求。     

非凝性气体对汽-气稳压器稳压的影响研究

通过分析相间的传热传质过程以及非凝性气体存在时壁面蒸汽冷凝过程,建立了汽 气稳压器模型,研究了非凝性气体对稳压过程的影响,描述了稳压器的稳压特性,并将模型计算结果与MIT稳压器实验数据进行了对比。结果表明：当不含非凝性气体时,计算精度高,相对偏差在0.8%内,压力峰值为0.647 MPa;当非凝性气体含量从0增至20%时,计算精度相对减小,最高相对偏差为15.4%;压力峰值从0.647 MPa增至1.02 MPa。研究表明非凝性气体对稳压器稳压过程具有重要影响作用,随着非凝性气体的种类和含量的变化,稳压器内稳压过程发生显著变化。     

自然循环铅冷快堆蒸汽发生器泄漏事故下的气泡迁移

蒸汽发生器传热管泄漏/破裂事故是核电厂平稳运行的安全问题之一,对铅冷快堆而言,该事故发生后,二回路的高压水迅速进入一回路,会对蒸汽发生器传热管邻近的结构、一回路的流动、一回路换热乃至堆芯的反应性产生较大影响。本文针对SNCLFR-100小型自然循环铅冷快堆,对破裂后气泡的迁移以及在反应堆的积聚进行研究,基于ANSYS FLUENT,利用欧拉-拉格朗日方法对泄漏后气泡的位置和轨迹进行了追踪,并对事故下的堆芯安全进行了一定的评估。研究表明,破裂位置、气泡尺寸以及冷却剂纯净度均会对一回路气泡的迁移产生较大的影响,当一回路液态铅含有较多杂质时,蒸汽发生器较低位置发生的泄漏事故会产生相当大的系统气泡积聚和堆芯气泡累积,从而对反应堆的正常运行产生显著影响。     

用无网格粒子混合法模拟氟里昂气泡的冷凝行为

采用无网格粒子混合法(MPS-MAFL)模拟氟里昂气泡在过冷液池中的冷凝现象,对同一气泡在不同过冷度下的冷凝行为进行敏感性分析,对气泡中含有不凝气体的情况进行分析研究.模拟结果表明:气泡冷凝开始后,冷凝会使气泡内的压力降低,气-液界面开始收缩;在冷凝后期,气泡内压力会超过环境压力;气泡破碎时会产生一个压力脉冲;气泡在一...     

含不凝性气体的蒸汽冷凝传热实验研究

对含不凝性气体的蒸汽在竖直圆管外表面冷凝传热进行实验研究,分析过冷度、压力、不凝性气体质量分数以及氦气占比对蒸汽冷凝换热的影响,给出冷凝传热过程中的经验关联式并同经典公式进行对比。结果表明:在压力不变的条件下,壁面过冷度同冷凝传热系数的变化趋势相反;实验范围内,未发生氦气分层现象;所得到的经验关联式具有更广的适用范围,且其与实验值的误差在±20%以内。     

气泡破裂产生膜液滴现象可视化实验研究

气泡破裂产生液滴的现象普遍存在于核电厂蒸汽发生器中，由此产生的液滴是蒸汽流夹带液滴的主要来源之一。本工作利用可视化装置及高速摄像技术拍摄气泡在自由液面处破裂产生液滴的实验现象。结果表明，在实验气泡尺寸范围内，气泡液帽破裂产生膜液滴形式都是单点破裂，首先液膜进行排液，其后液帽顶部或底部产生孔隙，然后孔隙迅速扩大、液膜卷曲形成液体环，最终发生不稳定射流形成细小的膜滴。对实验数据进行拟合，得到气泡等效半径在3~25 mm范围内膜液滴数量同气泡尺寸关系式，实验结果与前人结果变化趋势相似。     

Experimental verification of the fast reactor safety analysis code SIMMER-III for transient bubble behavior with condensation

Experimental verification of a reactor safety analysis code, SIMMER-III, was undertaken for transient behaviors of large-scale bubbles with condensation. The present study aimed to verify the code for numerical simulations of relatively short-time-scale multi-phase, multi-component hydraulic problems. Among these, vaporization and condensation, or simultaneous heat and mass transfer, play important roles. In this study, a series of transient bubble behavior experiments dedicated to condensation phenomena with noncondensable gases was carried out. In the experiments, a pressurized mixture of noncondensable gas and steam was discharged as a large-scale single bubble into a cylindrical pool filled with stagnant subcooled water. The concentration of noncondensable gas was taken as an experimental parameter as was the species of noncondensable gas. The characteristics of transient behavior of large-scale bubbles with condensation observed in the experiments were estimated through experimental analyses using SIMMER-III. In the experiments with steam condensation, dispersion of the gas mixture discharged into the liquid pool was accompanied by vapor condensation at the bubble surface. SIMMER-III simulations suggested that the noncondensable gas had a less inhibiting effect on the condensation of large-scale bubbles. This is a different characteristic to that of the quasi-steady condensation of small-scale bubbles observed in our previous experiments.     

文丘里式气泡发生器气泡碎化特性研究

熔盐堆在运行过程中须不断地去除氙等气体裂变产物。熔盐堆除气系统中气泡发生器的作用是通过向回路中注入一定量的直径为0.5 mm的小气泡,在扩散作用下吸收熔盐中的氙,最终气泡被分离出来,达到除氙的目的。在橡树岭国家实验室设计的基础上,本文为钍基熔盐研究堆设计气泡发生器,并在专门建造的水回路中对其工作特性进行了可视化研究。利用高速摄像系统跟踪气泡的运动和碎化过程,分析气液相流速对碎化后气泡尺寸的影响。结果表明：在实验条件下,当气体流量一定时,气泡尺寸随液体流量的增大而减小;当液体流量一定时,气泡尺寸随气体流量的增加而增大。     

液池内气溶胶对孔板鼓泡体积影响的实验研究

液池内的孔板鼓泡是安全壳内气体过滤排放过程中的重要现象。过滤过程中,孔板鼓泡体积直接影响气泡的上升速度与气液接触面积,因此是影响过滤器过滤效率的重要参数之一。随着过滤的进行,液池内滞留的气溶胶可能成为孔板鼓泡体积的影响因素之一。本文采用可视化实验,对含BaSO₄和TiO₂气溶胶液池内的孔板鼓泡过程进行研究,观察和分析孔板鼓泡体积的变化规律,进而获取气溶胶对孔板鼓泡体积的影响机制。研究表明,高温液池和TiO₂会使得生成气泡体积增加,添加BaSO₄的影响并不明显,实验还发现了生成气泡顶部含“小气腔”的情况,表面张力及“小气腔”的变化是气泡体积改变的主要机制。      

过冷水中单个蒸汽气泡凝结动力学过程研究

对高过冷度条件下单个蒸汽气泡的凝结过程进行了可视化研究,并与现有的计算模型进行了对比。实验结果表明：高过冷度条件下,运动速度较高的气泡脱离后,其底部产生的液体射流现象会加剧气泡的变形和凝结过程;而现有的计算关联式均无法较好地预测该条件下的气泡动力学行为,凝结末期的相对误差超过50%。此外,通过Sobol方法对气泡凝结模型进行了敏感性分析,并定量评估了不同实验范围内Reynolds数、Jacob数以及Prandtl数对气泡凝结的影响程度。     

窄通道内不凝结气体对过冷沸腾汽泡行为的影响

针对窄通道内不凝结气体对过冷沸腾汽泡行为的影响进行了实验研究,通过高速摄影仪记录了矩形窄通道内含和不含不凝结气体的汽泡行为并进行了分析。分析结果表明：在过冷沸腾条件下不凝结气体对汽泡行为产生了较大的影响,延缓了汽泡的生长和冷凝,使汽泡的直径变化呈震荡特性;从蒸汽的产生和冷凝角度分析,不凝结气体的存在有利于汽泡的生存,促进了汽泡之间的聚合过程,在一定程度上有利于换热。     

文丘里式气泡发生器渐扩段内单气泡输运过程研究

文丘里式气泡发生器渐扩段的流场结构、流动参数等对气泡制备性能起关键作用,因此,对具有矩形截面的文丘里通道渐扩段区域单气泡输运过程进行了可视化研究。分析发现,渐扩段气泡剧烈减速及变形过程对气泡最终的断裂和破碎起关键作用。气泡的减速过程虽只持续数ms时间,依然呈现加速减速和降速减缓两个明显阶段;气泡旋转过程呈现相似的变化规律。在液体流量2.4～6.9 m³/h范围内,对应最大旋转速度可达900～3 000 rad/s。气泡旋转过程持续时间较减速过程稍长,气泡最大旋转速度的位置出现在最大减速加速度位置的下游约2 mm处;液体流量和气泡尺寸对气泡旋转和变形过程有明显影响,液体流量越大或气泡尺寸越小,气泡旋转过程越剧烈,且旋转速度在更短距离内达到最大值;增大液体流量在一定范围内加剧了气泡的拉伸变形。这些可视化研究结果,为进一步揭示文丘里气泡发生装置内气泡的碎化机制、完善数值分析模型、优化设计等提供参考和帮助。     

Evaporation and condensation heat transfer with a noncondensable gas present

To evaluate the system pressure of an external water wall type containment vessel, which is one of the passive systems for containment cooling, the evaporation and condensation behavior under a noncondensable gas presence has been experimentally examined. In the system, steam evaporated from the suppression pool surface into the wetwell, filled with noncondensable gas, and condensed on the containment vessel wall. The system pressure was the sum of the noncondensable gas pressure and saturated steam pressure in the wetwell. The wetwell temperature was, however, lower than the supression pool temperature and depended on the thermal resistance on the suppression pool surface. The evaporation and condensation heat transfer coefficients in the presence of air as noncondensable gas were measured and expressed by functions of steam/air mass ratio. The evaporation heat transfer coefficients were one order higher than the condensation heat transfer coefficients because the local noncondensable gas pressure was much lower on the evaporating pool surface than on the condensing liquid surface. Using logal properties of the heat transfer surfaces, there was a similar trend between evaporation and condensation even with a noncondensable gas present.     

加热面朝下的池沸腾汽泡动态行为研究

基于Matlab软件开发了自动识别气液两相流界面程序,程序可获得气液界面变化、汽膜厚度、汽膜脱离周期和汽膜法向速度等特征。利用该程序对沟槽结构加热表面朝下布置时,在不同倾角、不同热流密度下的汽泡动态数据进行了处理和分析。结果表明：加热表面朝下发生核态沸腾时,汽膜厚度随热流密度的增大而增大,汽泡脱离周期随热流密度的增大先减小,而后维持在一稳定值;汽膜脱离周期随倾角的增大而减小,倾角为5°时的汽膜脱离周期稳定在0.27 s左右。当发生沸腾危机时,汽膜厚度迅速减小,这可作为动态监测加热表面沸腾状态的依据。     

Bubble Dynamic Behavior Study on Pool Boiling with Downward Facing Heated Surface

Based on the Matlab software, a program for automatic identification of vapor liquid two-phase flow interface was developed. The program can obtain such characteristics as vapor liquid interface change, vapor film thickness, vapor film departure period and normal velocity. The dynamic data of bubbles on the downward facing heated grooved surface with different inclination angles and heat fluxes were processed and analyzed by this program. The results show that when the downward facing heated surface under the nucleate boiling, the vapor film thickness increases with the heat flux, and the bubble departure period decreases with the increase of the heat flux firstly and then maintains a stable value. The vapor film departure period decreases with the increase of inclination angle, and is about 0.27 s when the inclination angle is 5°. When the boiling crisis occurs, the vapor film thickness decreases rapidly, which can be used as the basis for dynamically monitoring the boiling state of heated surface.