窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡尾流特性实验研究

单蒸汽泡尾流特性是影响窄缝通道内蒸汽-水两相流流型形成与演变的关键因素,本文采用粒子图像测速仪PIV和Insight3G后处理软件,对窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡的尾流特性进行研究,获得窄缝通道内单蒸汽泡的尾流特性。实验结果表明,单蒸汽泡冷凝上升过程中,其尾流均为涡交替脱落的不对称尾流结构;汽泡直径越大,涡越细长,涡强度越大,大直径蒸汽泡的尾流对周围汽泡的作用更强;流道间隙减小,则尾流中涡强度降低,流体速度减小,尾流对周围汽泡的影响会相应减弱。单蒸汽泡尾流特性为构建窄缝通道内蒸汽-水两相流模型提供基础支持。      

竖直矩形窄缝通道内单个蒸汽泡和空气泡尾流特性的对比

采用粒子图像测速仪(PIV)对绝热条件下单个蒸汽泡在矩形窄缝通道内去离子水中上升的尾流特性进行研究,分析了入口平均流速和汽泡直径对蒸汽泡最终上升速度、尾流结构以及尾流速度场的影响,并与单个空气泡进行对比。实验结果表明,绝热条件下蒸汽泡的最终上升速度与汽泡直径的对应关系和空气泡存在差异,蒸汽泡尺寸和入口平均流速对蒸汽泡尾流的影响以及尾流中最大纵向速度发生的位置与空气泡相似,无显著差异。     

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20～320k W·m^-2的参数范围内,对截面参数为50mm×2mm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。     

竖直矩形窄缝通道内单个空气泡尾流特性的实验研究

采用粒子图像测速仪(PIV)测量流场的速度分布,对空气泡在矩形窄缝通道内上升的尾流特性进行了研究,分析入口平均流速和气泡直径对空气泡最终上升速度、尾流结构以及尾流场速度分布的影响。实验结果表明:气泡的最终上升速度随气泡直径的增加先减小后增加,随入口平均流速的增加而增加;尾流结构特性随着气泡直径的增加而改变,且扰动从流道中心向流道壁面转移;入口平均流速的增加导致气泡的尾流结构简化,尾流场扰动变小;在距离气泡尾部小于1.0 W(W为流道宽度,mm)的范围内,流场扰动明显,在大于1.0 W的范围,扰动减弱。     

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%。     

起伏运动对矩形窄缝通道内汽泡直径分布的影响

为进一步探明起伏条件下过冷沸腾两相流相分布特性,采用高速摄像技术和数字成像分析技术,对静止和起伏条件下窄缝通道内汽泡进行可视化实验研究.实验结果表明:随着起伏频率增加,各相位间流道内汽泡直径变化增大.在相同的起伏条件下,增加质量流速将减小各相位间汽泡直径波动幅度.文中给出汽泡平均直径随起伏运动波动幅值的预测关系式,预测结果平均相对偏差为±19.1％.     

窄缝环形通道内流动阻力特性的实验研究

分别在换热和冷态条件下,对水平、竖直向上和竖直向下3个流动方向的窄缝环形通道进行了流动摩擦阻力实验研究.实验发现窄缝通道内流态转变点比普通流道有所提前.将实验结果与传统的阻力计算公式进行对比,分析了换热温差及流动方向对摩擦阻力的影响,对窄缝环形通道内阻力特性进行了探讨.     

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。     

环形窄通道内过冷沸腾起始点的实验研究

在1.0-4．5MPa的压力范围内研究了1．2mm间隙环形窄缝通道内过冷沸腾起始点．分析了部分热工参量对沸腾起始点的影响。引入双面加热影响因子．对环形窄缝内过冷沸腾起始点的数据进行回归分析,得出了适用于环形窄缝过冷沸腾起始点的实验关系式     

冷却剂欠热度对蒸汽爆炸的影响研究

为了研究蒸汽爆炸的爆炸机理,设计建造了低温熔融金属入水碎化的可视化实验装置,采用高速摄像仪拍摄记录熔融金属液柱入水爆炸或碎化的过程。实验研究了冷却水温度对蒸汽爆炸的影响,实验结果表明：冷却水温度对蒸汽爆炸起抑制作用。为了验证该结论,进行了碎化实验。结果表明：冷却水温度对碎裂后颗粒直径范围影响明显,熔融金属液柱在温度高的冷却水中遇到的阻力小,碎裂的颗粒体表比越大,换热能力越弱。后者实验结果与前者相符。     

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。     

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。     

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。     

竖直矩形窄缝通道内静水条件下气泡运动特性实验研究

基于图像自动识别方法对矩形窄缝通道(2 mm×60 mm×790 mm)内常温常压静态流体中的气泡运动特性进行可视化实验研究,获得不同气泡当量直径对应的气泡形态和运动速度;定量分析气泡运动速度与气泡当量直径间的关系,并基于本研究获得的实验数据对现有关于气泡运动速度的预测关系式进行定量评价。     

过冷度和粗糙度对铁铬铝平板淬冷沸腾影响的实验研究

为了探究过冷度和表面粗糙度对铁铬铝（FeCrAl ）平板淬冷沸腾的影响,对FeCrAl 平板在不同过冷度和表面粗糙度下的淬冷沸腾过程开展了可视化实验研究。采用热电偶测量平板内部温度,并利用导热反问题解析式求解平板表面温度和热流密度;通过对比分析实验现象,探究过冷度和表面粗糙度对平板淬冷沸腾过程的影响,并建立了过冷度与最小膜态沸腾温度的关系式。结果表明,淬冷沸腾过程中,FeCrAl 平板表面形成开尔文一亥姆霍兹（K-H）不稳定波,且气膜破裂后产生的骤冷前沿呈“抛物线”状;随着过冷度的增加,最小膜态沸腾温度增大,临界热流密度增大,平板表面冷却速率加快,淬冷沸腾过程的时长缩短;较大的表面粗糙度可以促进FeCrAl 平板表面淬冷沸腾的进行,但影响微小。      

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。