直管式直流蒸汽发生器不同运行参数下两相流压降预测

将B&W公司的直流蒸汽发生器进行简化,采用常热流边界条件进行不同运行参数下直流蒸汽发生器二次侧流动与换热过程数值模拟,并与经典摩擦压降经验关联式进行对比。结果表明：Martinelli-Nelson关联式更适用于预测蒸干发生时两相流的摩擦压降;摩擦压降随质量含汽率增加整体呈现上升趋势,蒸干发生时摩擦压降的变化率明显增大;管内气液两相流摩擦压降随质量流量和热通量增加而增大,随运行压力增大而减小。其中质量流量、运行压力对摩擦压降的影响较明显,热通量对其影响较小。     

直流蒸汽发生器蒸干及蒸干后传热数值分析

准确预测直流蒸汽发生器流动沸腾及蒸干对其设计、安全可靠运行极其重要。通过对BW公司直流蒸汽发生器进行合理简化,引入两流体三流场数学模型及壁面热通量分区模型,分别进行基于常热通量和耦合传热的蒸汽发生器流动沸腾数值模拟。结果表明:蒸干发生时传热性能急剧下降,常热通量边界下壁温升高的幅度相当大(约300K·m~(-1)),而耦合传热边界下壁温飞升幅度约为25K·m~(-1),与实际情形相一致;两种热边界中预热区会发生过冷沸腾,壁面处传热由液相对流换热、淬火换热和蒸发换热3部分构成,核态沸腾区蒸发换热为主要换热方式,同时伴随着液相对流换热和淬火换热,蒸干发生时淬火换热和蒸发换热全部降到0,在蒸干后传热区域换热方式为气相对流换热。     

直流蒸汽发生器蒸干及蒸干后传热数值分析

准确预测直流蒸汽发生器流动沸腾及蒸干对其设计、安全可靠运行极其重要。通过对B&W公司直流蒸汽发生器进行合理简化,引入两流体三流场数学模型及壁面热通量分区模型,分别进行基于常热通量和耦合传热的蒸汽发生器流动沸腾数值模拟。结果表明：蒸干发生时传热性能急剧下降,常热通量边界下壁温升高的幅度相当大（约300 K·m^-1）,而耦合传热边界下壁温飞升幅度约为25 K·m^-1,与实际情形相一致;两种热边界中预热区会发生过冷沸腾,壁面处传热由液相对流换热、淬火换热和蒸发换热3部分构成,核态沸腾区蒸发换热为主要换热方式,同时伴随着液相对流换热和淬火换热,蒸干发生时淬火换热和蒸发换热全部降到0,在蒸干后传热区域换热方式为气相对流换热。     

圆管内超临界CO_2的阻力特性

对超临界二氧化碳在圆管内流动时的压降和摩擦系数进行了实验研究。实验段长为2000 mm,内径为10mm。该实验压力范围为8～16MPa,质量流量范围为1000～1525kg·m~(-2)·s-1,内壁热通量范围为96.5～283.2kW·m~(-2)。得到了不同工况下竖直圆管内流动阻力的变化规律,分析了压力、质量流速、主流焓值和热通量对圆管内摩擦阻力的影响。实验结果表明摩擦压降随着质量流量和压力的增加而显著增加,特别是当主流焓值超过拟临界焓值后,其增加的速度变得更加剧烈,同时发现热通量对摩擦压降的影响较小。对于预测常物性摩擦因子的经验关联式并不能预测超临界CO_2的摩擦因子。因此提出了一个新的经验关联式,其实验数据在±20%误差范围内占83.31%。     

圆管内超临界CO2的阻力特性

对超临界二氧化碳在圆管内流动时的压降和摩擦系数进行了实验研究。实验段长为2000 mm,内径为10 mm。该实验压力范围为8～16 MPa,质量流量范围为1000～1525 kg·m^-2·s^-1,内壁热通量范围为96.5～283.2 kW·m^-2。得到了不同工况下竖直圆管内流动阻力的变化规律,分析了压力、质量流速、主流焓值和热通量对圆管内摩擦阻力的影响。实验结果表明摩擦压降随着质量流量和压力的增加而显著增加,特别是当主流焓值超过拟临界焓值后,其增加的速度变得更加剧烈,同时发现热通量对摩擦压降的影响较小。对于预测常物性摩擦因子的经验关联式并不能预测超临界CO₂的摩擦因子。因此提出了一个新的经验关联式,其实验数据在±20%误差范围内占83.31%。     

0.5MPa下液化天然气在竖直圆管中饱和流动沸腾传热

建立了一套实验装置用于对8 mm内径圆管内的液化天然气流动沸腾传热特性进行实验研究。测试压力为0.5 MPa,液化天然气质量流量为50~200 kg·m-2·s-1,热通量为8.0~36.0 kW·m-2。主要研究了热通量、质量流量和干度等影响因素对传热的影响。发现质量流量对传热有重大影响,液化天然气管内流动沸腾传热系数一般随质量流量的增加而增大。而热通量对传热的影响主要体现在低干度范围内,且在质量流量较小时更为明显。而当干度小于0.5~0.6时,传热系数一般随干度的增加而增大。但当干度大于0.6时,传热系数随干度的增加显著下降。将实验结果与4种现存的混合物流动沸腾传热关联式进行比较,结果表明Zou等提出的计算关联式与实验结果最接近,计算误差约为30.2%。     

摇摆工况下窄矩形通道内两相沸腾摩擦压降特性

为了研究摇摆工况下窄矩形通道内的两相摩擦压降特性,进行了一系列的热工水力实验和理论分析。结果表明,摇摆工况下流体会受到附加惯性力的作用且实验回路的空间位置也会出现周期性的变化,两相摩擦压降梯度的波动振幅随着摇摆角度和摇摆周期的增加而增加;随着通道热通量的增加或者系统压强的减小,两相摩擦压降梯度的波动振幅和时均值逐渐增加。窄矩形通道内的质量流速随着两相摩擦压降梯度的波动而波动,且具有相同的波动周期,由于流体加速和压力传播的速度不同,流量波动和摩擦压降波动存在约1/4周期的相位差。     

0.5 MPa下液化天然气在竖直圆管中饱和流动沸腾传热

建立了一套实验装置用于对8 mm内径圆管内的液化天然气流动沸腾传热特性进行实验研究。测试压力为0.5 MPa,液化天然气质量流量为50～200 kg·m^-2·s^-1,热通量为8.0～36.0 kW·m^-2。主要研究了热通量、质量流量和干度等影响因素对传热的影响。发现质量流量对传热有重大影响,液化天然气管内流动沸腾传热系数一般随质量流量的增加而增大。而热通量对传热的影响主要体现在低干度范围内,且在质量流量较小时更为明显。而当干度小于0.5～0.6时,传热系数一般随干度的增加而增大。但当干度大于0.6时,传热系数随干度的增加显著下降。将实验结果与4种现存的混合物流动沸腾传热关联式进行比较,结果表明Zou等提出的计算关联式与实验结果最接近,计算误差约为30.2%。     

不同截面含气率关联式对垂直下降环空管内水蒸气压力影响研究

为探究截面含气率关联式对垂直环空管气水两相流参数的影响,建立垂直下降环空管气水两相流压降模型,对比分析了Hasan&Kabir与Bhagwat截面含气率关联式对环空管水蒸气压力与摩擦压降的影响规律.结果表明:对于注汽压力大于8 MPa深井,Bhagwat与Hasan&Kabir关联式预测的水蒸气摩擦压降及压力接近;对于...     

气液两相并流向下通过筛板孔口单元的压降特性

针对堆叠筛板填料的基本单元,采用12种不同规格的孔板,研究了气液两相并流向下通过孔口的压降特性,阐明了气液流量、孔板结构对压降的影响规律。结果表明：压降随气液流量的增加而增大;随孔径的增大而减小;在筛板常用厚度范围内,孔口锐缘效应使得压降随板厚减小而增大。根据孔口压降行为不同,以气相雷诺数Re_G=5000分界,建立了单一气相向下通过孔口的压降预测关联式;然后利用气相折算因子对关联式进行修正,得到了Re_G>5000时气液并流向下通过孔口的压降预测关联式;当Re_G<5000时,通过直接对单一气相阻力系数进行修正,得到了相应气相雷诺数范围内的气液两相压降预测关联式。     

铜基正弦波微通道内流动沸腾传热特性试验研究

基于超快激光技术加工铜基正弦波弯曲型微通道,以去离子水为流动工质,在不同质量流量和热通量条件下,对弯曲型微通道内流动沸腾特性进行试验研究。基于温度/压力数据和流动可视化结果,发现通道传热系数随出口干度增大,呈迅速增大后减小并趋于稳定趋势,正弦波微通道相较直微通道具有更好的换热性能,传热系数最大提高127.7%,压降仅增加14.4%。波状通道结构能明显抑制流动沸腾中不稳定现象发生。通过可视化试验发现,随热通量增大,流型经历泡状流-弹状流-环状流的转变,换热主导机制由核态沸腾逐渐过渡到薄液膜蒸发。     

5mm微肋管内R404A流动沸腾压降特性

为了给冷链用换热器小管径的可行性提供理论支持，对R404A制冷剂在5mm微肋管内流动沸腾压降特性进行了实验研究。实验工况为：饱和温度为0℃、热通量为5～25kW/m²、质量流速为200～500kg/(m²·s)、干度为0.1～0.9。研究结果表明：质量流速的提高不仅会增大摩擦压降，同时使摩擦压降随干度变化的趋势提前转变；摩擦压降受热通量的影响较小，在0.1～0.7的干度区间，摩擦压降不随热通量的增大而改变，热通量仅会使摩擦压降的拐点提前出现；与光滑管相比，微肋管内的两相流动摩擦压降较高，增大质量流速会提高摩擦压降的增量，当干度值为0.4时，增量出现极值，随后增量逐渐上升。本实验研究的数据与理论预测模型的对比显示：修正后的Kim模型能够较佳的预测本实验数据，绝对平均偏差11.54%，偏差幅度±30%以内的数据多达85.23%。     

水平管内纯饱和蒸汽强制对流冷凝局部换热特性

通过对水平管内饱和纯蒸汽强制对流冷凝换热的实验研究, 分析在管内两相流型为环状流-半环状与波状流时, 质量含汽率、蒸汽入口流速和压力对蒸汽冷凝换热的影响, 并得到了同时适用于这两种流型的计算局部冷凝传热系数的经验关联式。结果表明:局部冷凝传热系数在环状流-半环状流及波状流下均随质量含汽率和压力的降低而减小;在环状流-半环状流下, 随蒸汽入口流速的升高而增大, 在波状流下, 随蒸汽入口流速的增大而减小;实验拟合所得到的换热经验关联式与实验结果符合良好, 偏差在±20%以内。     

高宽比对矩形通道内蒸汽冷凝传热特性及流型影响的研究

通过可视化流型观测及实验测量,研究了单边换热矩形小通道的高宽比对两相流型、平均冷凝传热系数及两相流动阻力的影响,采用高速摄像机拍摄了环状流、环波状流、波状流、弹状流、塞状流及泡状流6种典型流型。研究表明,高宽比为1:2及1:3的通道内出现流型种类较为全面,而在高宽比为1:5通道内基本无弹状流、塞状流及泡状流。1:5通道内环状流所占区域较1:2及1:3通道大,随入口蒸汽质量流速的增加,差值逐步减小。随着通道高宽比的减小,平均冷凝传热系数逐渐增大;不同高宽比通道中平均冷凝传热系数间的差值随入口蒸汽质量流速的增加而减小;蒸汽质量流速足够高时,高宽比对传热系数基本无影响。通道内两相流压降随通道高宽比的减小而增大;随着入口蒸汽质量流速的增加,不同比例通道内的两相流动压降差距逐渐增大。     

高宽比对矩形通道内蒸汽冷凝传热特性及流型影响的研究

通过可视化流型观测及实验测量,研究了单边换热矩形小通道的高宽比对两相流型、平均冷凝传热系数及两相流动阻力的影响,采用高速摄像机拍摄了环状流、环波状流、波状流、弹状流、塞状流及泡状流6种典型流型。研究表明,高宽比为1：2及1：3的通道内出现流型种类较为全面,而在高宽比为1：5通道内基本无弹状流、塞状流及泡状流。1：5通道内环状流所占区域较1：2及1：3通道大,随入口蒸汽质量流速的增加,差值逐步减小。随着通道高宽比的减小,平均冷凝传热系数逐渐增大;不同高宽比通道中平均冷凝传热系数间的差值随入口蒸汽质量流速的增加而减小;蒸汽质量流速足够高时,高宽比对传热系数基本无影响。通道内两相流压降随通道高宽比的减小而增大;随着入口蒸汽质量流速的增加,不同比例通道内的两相流动压降差距逐渐增大。     

波纹壁面微细通道的Ledinegg不稳定性分析

为探究不同波纹壁面微细通道的Ledinegg不稳定性,利用计算机数控加工得到3种壁面的微细通道,分别是正弦波纹、三角形波纹与普通光滑微细通道。采用R141b为实验工质,在压力为40~80kPa、热通量为13.281~22.138kW/m²、入口温度为33℃条件下开展流动换热实验。结果表明：三角形波纹微细通道的压降-流量曲线负斜率区斜率最小,流动不稳定起始点（OFI）质量流量最大,最容易发生Ledinegg不稳定性,而普通光滑微细通道与之相反。另外,随着热通量增大,微细通道的压降-流量曲线负斜率区斜率减小,OFI点质量流量增大,表明增大热通量会增加系统的不稳定性;随着系统压力增大,微细通道的压降-流量曲线负斜率区更加平缓,而OFI点质量流量变化不大,表明增大系统压力有利于提高系统的稳定性。     

印刷电路板式换热器内超临界甲烷流动换热特性模拟

印刷电路板式换热器（printed circuit heat exchanger,PCHE）作为一种新型高效微通道换热器,将其应用在LNG浮式储存与气化装置（FSRU）上具有非常大的潜力。对超临界甲烷在PCHE通道中的流动和传热特性进行了数值模拟,结果表明：传热系数随温度先增大后减小,并在准临界温度（202～212 K）处达到峰值;压降随温度先保持不变,然后在准临界温度附近急剧上升,之后随温度增大的趋势变缓;当温度在准临界温度附近时,低质流密度下增大热通量会恶化传热;不同压力下传热系数均在准临界温度处达到峰值;温度低于准临界温度时,压力对压降的影响可以忽略,温度高于准临界温度时,压降随压力增大而显著降低;压力由6.4M Pa提高到8.5 MPa时,传热最大降低32.5%,压降最大降低28.5%;开发的换热和压降关联式平均误差分别为5.6%和4.2%。     

DMLS微型换热器内纳米粒子浓度对Al_2O_3/R141b流动沸腾压降的影响

为探究纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降影响,运用超声波振动法制备质量分数为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均匀、稳定的Al_2O_3/R141b纳米流体制冷剂,在直接激光烧结(DMLS)微型换热器中,设计系统压力为176 k Pa,纳米流体制冷剂入口温度为40℃,在热通量21.2~38.2 k W·m-2和质量流率183.13~457.83 kg·m-2·s-1工况下,研究纳米粒子浓度对Al_2O_3/R141b纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降影响。研究结果表明:纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降有显著影响,气液两相压降随纳米流体制冷剂的纳米粒子浓度增加而减少,在纯制冷剂中R141b加入纳米粒子Al_2O_3,不同质量分数的纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降降低5.5%~32.6%;通过SEM和表面静态接触角测试方法,发现纳米流体制冷剂沸腾气液两相压降随质量分数增加而减少的原因是纳米颗粒沉积在通道表面,增加了微通道表面的润湿性;对比国际上3种比较经典流动沸腾两相压降模型,并基于Qu-Mudawar关联式和Zhang关联式进行修正,得出两相压降结果的85%数据点位于修正后的关联式模型值的±15%范围之内,同时实验结果与修正后的模型结果偏差MAE值为11.7%,说明修正后关联式能有效预测本工况下实验值。     

周向非均匀加热水平圆管内超临界正癸烷换热特性

针对超燃冲压发动机再生冷却热防护问题,开展了顶部加热和底部加热水平圆管内超临界压力正癸烷换热的模拟研究。探究了两种加热模式下的换热特征和换热差别,阐述了通道外表面热通量、质量流速、运行压力及通道热导率对换热的影响机制。实现了周向平均换热的预测。结果表明：两种加热模式下的浮升力作用不同,通道内壁面周向呈现了不同的管壁温度和热通量分布情况。顶部加热时随周向角增大传热恶化逐渐减弱,底部加热时二次流更强,周向始终存在传热恶化问题。高温流体拟膜态热阻是传热恶化的原因。采用高热导率通道、增加运行压力、降低热质比可以缩小周向壁温和热通量差别。提出的关联式能合理预测周向平均换热情况,满足热防护设计的工程应用。     

微通道壁面浸润性对气-液两相流的影响规律研究

通道壁面浸润性对微通道内的气-液两相流具有重要影响。利用等离子体辅助接枝改性,将甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）及1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷接枝在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料表面,得到了10°、40°、70°和110°四种接触角的微通道,并考察了浸润性对流型、气泡长度和压降的影响。结果表明,随接触角增大,气泡截断位置下移,膨胀阶段缩短,挤压阶段变长;低流量时,气泡长度随接触角增加而增大,高流量时则减小;建立了与材料表面水接触角相关的气泡尺寸预测关联式,与Garstecki经典预测关联式相比,预测精度更高;θ<90°时,接触角增加,压降减小;θ>90°时,三相接触线使流动阻力和压降增加。