T型管内泡状流相分离特性研究

以第三代核电技术AP1000中第4级自动降压系统管线(ADS-4)与一回路主管道所形成的T型管为研究对象,使用计算流体力学(CFD)软件,模拟在水平主管内为泡状流时气-液两相流经支管时的分离情况,得到其支/主管分离比、相分布图、压力图和速度场图,并研究进口体积分数及气泡尺寸对相分离效应的影响。结果表明:泡状流在T型结构处的相分离现象显著,分离比随进口体积分数的增加而降低,对于特定管道尺寸存在一个使相分离效果最显著的气泡尺寸。     

卧式螺旋管内泡状流转变的研究

本文在对卧式螺旋管内气液两相泡状流动及其转变的特征进行详细的实验研究的基础上,以现象为根据建立了泡状流转变的模型,给出了全范围内泡状流转变的边界预报式,实验与理论结果符合得很好。模型考虑了离心力和重力联合作用下的机制,对于弯管和直管内流动,模型具有兼顾的性质。     

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。     

竖直圆管内泡状流界面参数分布特性

采用双头光纤探针对内径为50 mm竖直圆管内空气-水两相泡状流界面参数径向分布特性进行了实验研究。气液两相表观速度变化范围分别为0.004～0.05 m/s和0.071～0.283 m/s。结果表明,竖直管内向上泡状流局部界面面积浓度（IAC）、空泡份额及气泡频率径向分布相类似,即气相流速较低时管道中间很大范围内以上3个局部界面参数几乎恒定,近壁区迅速下降到较低值;随气相流速的增加,局部界面参数在管道中心出现峰值。本实验中气泡聚合与破碎现象较少发生,索特平均直径沿径向近似均匀分布,且随气液两相流速变化很小。通过气泡横向受力解释了局部界面参数分布的影响机理。     

螺旋直径对螺旋管泡状流截面分布特性的影响

研究了不同螺旋直径螺旋管中泡状流的相界面参数（空泡份额、相界面浓度、气泡尺寸等）的截面分布特性。通过图像法标定了电导探针的测试精度,并通过合理地处理双头电导探针,得到了螺旋管中泡状流的空泡份额、相界面浓度和气泡数量频率的定量分布云图。为进一步量化地描述相界面参数的分布特征,采用统计方法定义了截面平均参数、相界面离散系数和气泡平均聚集坐标来表征其特性。实验结果表明,随着管道旋转直径的增大,气泡截面平均空泡份额有所下降,分布范围缩小,平均聚集坐标向上方和外侧移动,气泡尺寸整体上有所下降。     

水平管内气-液两相泡状流壁面切应力预测模型

水平管泡状流时气泡主要集中在管道的上部,在管下部只有少量的气泡.由于气泡的非均匀分布,壁面切应力沿周向变化.本文以水平管内气-液两相泡状流壁面切应力均相预测模型为基函数,在实验测量结果的基础上,建立了考虑气泡非均匀分布的水平管内气-液两相泡状流壁面切应力预测模型,预测模型能够反映不同工况下的壁面切应力沿周向的变化趋势,与实验测量结果比较,误差范围小于10%.     

水平管泡状流液相速度分布与相分布

用热膜探针测量了内径为 3 5mm的水平管泡状流中的液流速度 ,同时用双头电导探针测量了有关的相界面参数 ,结果表明 ,局部液流平均速度在靠管道下部的分布与单相液流的分布类似 ,在靠管道上部突然减小 ;局部液流平均速度在靠管道下部随气流折算速度的增加而增加 ,在靠管道上部则随气流折算速度的增加而减小 ;局部含气率和气泡频率随气流折算速度的增加而增大 ,在靠近管道上壁处有一峰值 ,其分布规律随液流速度的增加而趋向均匀     

倾斜圆管内泡状流空泡份额特性实验研究

采用光纤探针测量方法对倾斜圆管(内径为50 mm)内空气-水两相泡状流空泡份额分布特性进行实验研究。结果表明,截面平均空泡份额随倾斜角度的增加而减小,倾斜角度大于5°时减小速率明显减慢;竖直条件下空泡份额径向分布呈"马鞍形",即空泡份额除在近壁区出现峰值然后迅速降低到最小值外,在其他区域几乎不随位置发生变化;倾斜条件下气泡明显向上壁面聚集,中心线上方近壁区空泡份额峰值增加,中心线下方近壁区空泡份额峰值被削弱,倾斜角度较大时甚至消失。     

摇摆条件对矩形通道内泡状流摩阻特性影响

摇摆运动作为一种典型海洋条件,对管内的气液两相流动过程产生较大影响。本工作通过摇摆条件下空气 水泡状流在矩形通道内流动阻力特性的实验,研究摇摆运动对两相流动过程的影响。实验在常温、常压下进行,通道尺寸为40 mm×10 mm,摇摆角度为10°、15°和30°,摇摆周期为8、12和16 s。结果表明,摇摆条件下瞬态摩擦压降的变化具有明显周期性,随着两相雷诺数变大,瞬态摩阻系数的波动幅度和平均水平均变小;摇摆周期越小,摇摆振幅越大,即摇摆运动越剧烈,摩擦压降的波动幅度也越大。     

水平管内气-液两相泡状流的混沌特征

运用相空间重构法,对实验测得的局部空隙率信号时间序列进行处理,计算出水平管内气-液两相泡状流系统的局部空隙率信号的Kolmogorov熵和关联维数.计算结果表明,气-液两相泡状流系统具有非线性混沌现象;系统普遍存在2～3个分维;随着折算液速的增加,系统的混沌程度下降;Kolmogorov熵和关联维数沿径向的分布呈波动特征;在r/R＝0.6～0.85区域,系统的混沌程度较高.     

流动沸腾汽泡脱离直径尺寸分布研究

沸腾是一个复杂的换热过程，大量实验表明，不同核化点的脱离直径存在区别，即使在同一工况下，同一核化点产生的汽泡脱离直径也会大小不一，因此汽泡尺寸分布不可忽略。尽管目前已有较多用于汽泡平均尺寸的计算关系式，但对于尺寸分布的研究仍较少。因此，本文针对流动沸腾下汽泡脱离直径的尺寸分布进行研究，对比常用的伽马函数和正态分布函数描述这一分布时的准确度，确定概率函数后，再对概率密度函数中两个重要的参数均值和标准差进行分析，最后得到一套预测不同工况下汽泡尺寸分布的关系式，该关系式准确度较高，并考虑了壁面过热度、质量流速等因素的影响。     

矩形通道内泡状流-弹状流转变判定准则研究

以空气和去离子水为工质,对竖直矩形通道内两相流流型特性进行实验研究;矩形通道的横截面为1.41mm×40 mm和10 mm×40 mm,实验压力为常压,气、液相表观速度分别为0.015⁰.59 m/s和0.0250.59 m/s和0.025³.74 m/s。利用获得的实验数据及文献数据,对4种典型泡状流-弹状流转变判定准则进行评价,结果表明4种准则都存在一定局限性。从实验数据及文献数据可以看出,泡状流-弹状流转变临界空泡份额为通道窄边与宽边比(宽高比s/w)的函数。为此,以当量直径10 mm为界,分别提出临界空泡份额计算关系式,从而得到修正转变判定准则。与本文及文献中实验数据的比较,修正准则较4种典型准则精度和适用性有一定提高。     

过冷沸腾通道内截面汽泡平均直径预测模型研究

通道内截面汽泡平均直径是计算两相流相间界面传递方程以及计算汽液相界面浓度的重要参数。综合考虑过冷沸腾工况下汽泡动力学、两相热力学以及汽泡聚合效应对通道内汽泡尺寸的影响,提出过冷沸腾通道内截面汽泡平均直径预测模型。将该模型与实验数据进行比较,预测值与实验值偏差±12.5%。     

过冷流动沸腾汽泡浮升直径的理论研究

汽泡浮升直径模型已成为两相流领域理论分析与数值计算方法的重要子模型。为研究各力对汽泡浮升的影响规律,本文理论推导了过冷流动沸腾汽泡的受力方程,建立了预测汽泡浮升直径的无量纲模型,并与实验数据进行了对比验证,分析了汽泡浮升直径随各无量纲数的变化规律。结果表明,无量纲模型能准确预测水与R113工质中汽泡的浮升直径;浮升直径随Ja的增加而升高,随Re、Ca、Pr与Ar的增加而降低;结合无量纲数的定义,可认为生长力与表面张力抑制了汽泡的浮升效应,导致浮升直径升高;剪切升力与浮升力促进了汽泡的浮升效应,导致浮升直径降低。     

气-液两相泡状流在摇摆状态下的摩擦压降计算

在常温下对光滑的有机玻璃管内单相水和气-液两相泡状流在两种不同摇摆角度和3种不同摇摆周期下的摩擦压降特性展开了研究.结合实验数据,提出了摇摆状态下的单相水摩阻系数的计算关系式.计算关系式不仅能够反映摩阻系数随时问变化的周期动态特征,而且计算结果与实验结果符合很好.在此基础上,运用均相流模型,对摇摆状态下两相泡状流的摩擦压降进行计算.结果发现,计算值与实验值的相对误差在±25%以内.     

过冷流动沸腾中汽泡脱离直径的理论研究

汽泡脱离直径模型是壁面沸腾计算中的一个重要子模型。为了正确预测过冷流动沸腾中的壁面传热情况,研究结合新改进的汽泡生长模型,采用力平衡方法对过冷流动沸腾中的汽泡脱离直径进行了模拟。汽泡生长模型同时考虑了微液层、过热层和汽泡顶部过冷液体层对汽泡生长所做的贡献,并采用饱和沸腾与过冷沸腾2个实验对其进行了验证,结果表明预测曲线与实验值吻合良好。另外,选取了3个过冷流动沸腾实验来验证汽泡脱离直径模型,模拟结果均在可接受的误差范围内。     

竖直窄流道内过冷流动沸腾的汽泡生长过程流场特性分析

采用VOF模型建立了过冷流动沸腾中的汽泡生长模型,使用UDF接口自编程序,对汽泡生长过程进行了数值模拟。考虑了主流速度、主流过冷度、壁面过热度、汽-液接触角等对汽泡生长过程的影响,获得了过冷流动沸腾条件下汽泡生长曲线,并与相应实验条件下的实验结果进行了对比,同时对汽泡的生长过程中的汽泡内外的流场进行了分析。     

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。     

竖直环形流道内欠热沸腾时的气泡行为研究

一般在沸腾传热实验中壁面的加热方式有电加热和流体加热两种,流体加热方式下的沸腾传热研究进行得很少.在水加热条件下,对水在竖直环形流道内欠热流动沸腾时的气泡行为进行了可视化研究.环隙宽度为5mm和3mm两种,质量流速分别为16.8～55.3kg/(m2·s)和15.3～62.1kg/(m2·s).可视化实验结果表明:在贴近壁面的区域存在气泡运动层,大部分气泡在气泡运动层内运动.在宽度为3mm的流道中,气泡在脱离壁面前一般会滑动;滑动距离不超过2～3倍气泡直径,并且存在反复胀缩的现象.5mm流道内的气泡则较少发生滑动,往往在脱离壁面后会被弹回壁面.气泡的滑动和离开壁面后又返回壁面的运动方式是沸腾具有高强度传热能力的原因之一.     

Bubble Lift-off Diameter and Nucleation Frequency in Vertical Subcooled Boiling Flow

A series of experiments were carried out to investigate phenomena from bubble nucleation to lift-off for a subcooled boiling flow in a vertical annulus channel. A high-speed digital video camera was used to capture the bubble dynamics. The bubble lift-off diameter and bubble nucleation frequency were evaluated in terms of heat flux, mass flux, and degree of subcooling. The fundamental features of the lift-off diameter and nucleation frequency (i.e., the variations across nucleation sites and the dependence on the flow and heat flux conditions) were addressed based on the present observation. A database for the bubble lift-off diameter was built by gathering and summarizing the data of Prodanovic et al., Situ et al., and the present experiments. We evaluated the predictive capabilities of Unal's model, Situ et al.'s model, and Prodanovic et al.'s correlation against the database. We obtained the best prediction results by modifying the wall superheat correlation in Unal's model. In addition, we suggested a new correlation for a combined parameter of the bubble nucleation frequency and bubble lift-off diameter.