纳米流体增强堆芯熔融物滞留能力的气泡动力学行为研究

在对Al2O3/H2O纳米流体物性归纳分析的基础上,采用移动粒子半隐法(MPS)对不同过热度、不同流速的Al2O3/H2O纳米流体流动沸腾过程中气泡的成长和脱离过程进行数值模拟,并与相同条件下纯水的气泡成长及脱离过程进行对比。模拟结果表明:与纯水相比,纳米流体中气泡生长更快,气泡脱离的频率更大,气泡脱离半径稍大,单位时间内气泡脱离壁面带走的热量更多,说明纳米流体强化了沸腾换热。从气泡动力学的角度初步揭示了纳米流体强化沸腾换热的内在原因。并针对核反应堆发生严重事故并启动熔融物滞留在压力容器(IVR)后的下封头冷却的特点,进行了加热面朝下的纳米流体沸腾气泡行为研究。研究表明:与纯水相比,纳米流体中的气泡更能及时脱离加热壁面,使得新流体能及时补充以冷却压力容器外壁、增强IVR的能力。     

竖直窄缝水工质常压过冷沸腾流动与传热分析

以去离子水为工质,对常压下竖直窄缝通道内过冷沸腾流动与换热规律进行实验和数值模拟研究。对壁面气泡核化特点进行可视化实验分析,建立2 mm窄缝通道的壁面核化沸腾模型,包括:汽化核心密度、气泡脱离直径和气泡脱离频率关联式。以两流体模型为基础,结合壁面热量分配伦斯勒理工学院(RPI)模型以及壁面核化沸腾模型,建立竖直窄缝通道内过冷沸腾流动传热计算流体动力学(CFD)数值模型,对典型实验工况进行模拟分析,并与实验结果进行对比,两者吻合良好。     

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.     

局部非热平衡条件下含内热源多孔介质方腔内自然对流数值研究

在流体与固体骨架有效导热系数比一定的条件下,采用局部非热平衡模型与非达西流动模型,研究Ra和Da对含内热源多孔介质的方腔内自然对流流动换热特性的影响。计算结果表明:当Ra取定值,流体平均Nu随Da的增大而增大;当Da取定值,流体平均Nu随Ra的增大而增大。在文中参数的变化范围内,固体相与方腔4个壁面的换热强度相当,且变化较小。方腔左右两壁面流体相换热强度相同,但均弱于上壁面换热强度,下壁面流体相换热强度最低。无量纲容积换热系数较小时,非热平衡效应影响较大。     

氧化铝纳米流体增强球形下封头IVR能力边际研究

为评价氧化铝纳米流体相对于纯水工质对球形下封头熔融物滞留（IVR）能力边际的拓展程度,采用基于气泡力平衡的氧化铝纳米流体临界热流密度（CHF）机理模型和壁面热通量拆分CHF模型计算球形下封头外表面纳米流体CHF。利用熔融物堆内滞留分析软件CISER开展衰变热分布抽样计算,得到下封头壁面CHF随倾角变化的随机分布,并将其与纳米流体CHF模型的理论值相比,以CHF比值小于1作为IVR成功准则,研判纳米流体对IVR能力边际拓展的影响程度。研究结果表明,若不对下封头内外传热构成采取任何优化措施,仅采用纳米流体替代纯水工质,压水堆核电厂的IVR能力边际能够拓展至1300 MW额定电功率水平。      

二维瞬态熔融池传热特性分析程序开发与验证

针对高瑞利数熔融池自然对流传热特性实验(COPRA),建立了熔融池自然对流传热模型,并基于SIMPLE算法开发了二维瞬态熔融池传热特性分析程序。熔融池模型采用近壁修正的低雷诺数(Re)k-ε湍流模型模拟全区域的自然对流,同时考虑了熔融物硬壳凝固熔化的相变传热过程,以及硬壳与下封头壁面的导热温度场计算。采用瞬态分析程序针对COPRA实验工况进行模拟,计算得到的熔融池温度、圆弧壁面热流密度和硬壳厚度结果与COPRA实验数据符合得较好,验证了本文模型和二维瞬态熔融池传热特性分析程序的可靠性。     

严重事故工况高温环境下爆破阀药筒驱动装置可用性研究

本文利用通用流体计算软件,建立了爆破阀传热模型,采用稳态及瞬态求解器对AP1000型核电厂正常工况和严重事故工况下的爆破阀传热过程进行了计算与研究。计算过程中实时监测药筒壁面最高温度随时间的变化,计算结果为验证爆破阀在严重事故工况下的可用性提供了理论依据。研究结论如下:正常工况下,药筒壁面最高温度约为75℃;严重事故工况下,阀体表面与空气的对流换热系数分别采用10、50及100 W·m^(-2)·K^(-1)三种条件进行计算,药筒壁面最高温度分别达到95.7℃、124.8℃及154.8℃。计算结果表明,严重事故期间,药筒壁面最高温度不超过160℃,不会对爆破阀所用火药性能产生重大影响。     

纳米流体对倾斜朝下加热面沸腾换热特性的影响

本文通过在工质中加热不同纳米颗粒进行倾斜朝下表面的池沸腾实验来研究纳米材料改善沸腾传热的特性。常压下,倾斜角为0°、15°、30°时,在去离子水,体积浓度为0.01%、0.02%、0.05%的Al2O3纳米流体,体积浓度为0.001%、0.005%、0.01%的Cu-20纳米流体,体积浓度为0.01%的Cu-100纳米流体的工况下进行池沸腾试验。同时利用高速摄像设备对气泡的运动进行图像采集,结合试验结果对纳米流体影响沸腾传热的特性进行研究。研究表明:相较于去离子水,Al2O3纳米流体的换热系数增加了23.1%,而Cu-20纳米流体的换热系数增加了42.5%,Cu-100纳米流体的换热系数增加了92.9%;对于Cu-20纳米流体,体积浓度变大,换热系数增加。     

堵流条件下矩形并联通道非均匀流动传热模拟方法研究

为建立矩形并联通道非均匀流动传热模拟方法,针对板型燃料元件的安全分析提供新的模拟方法和工具,本研究采用一维两流体模型和燃料元件二维导热模型开发热工水力瞬态分析程序,对堵流条件下非均匀流动传热进行模拟。通过数值模拟得到不同堵流工况下流量分配和燃料温度分布,此外对4种不同功率分布下燃料元件二维导热效应进行研究。研究结果表明,堵流后并联通道流量和传热量将重新分配,二维导热模型使燃料元件截面温度场分布更均匀。本文开发的热工水力瞬态分析程序能够用于板型燃料元件非均匀流动传热现象的模拟。     

水平矩形小尺度通道气泡脱离直径预测模型

为预测水平矩形小尺度通道内气泡脱离直径,以研究其泡核沸腾传热特性,采用力学方法对加热壁面附壁气泡进行力学分析,构建了一种基于受力平衡的气泡脱离直径预测模型。采用可视化实验的方法对其进行验证,结果表明,模型预测结果与实验数据之间的平均相对误差为±13.52%,该模型具有良好的气泡脱离直径预测准确度。      

Analysis of EXCOBULLE two-phase expansion tests

A model based on equilibrium thermodynamics was developed to analyse the EXCOBULLE experiments. Large rates of heat and mass transfer are required to obtain agreement with the experiments. The early heat and mass transfer is due to Taylor instabilities followed by condensation and bulk mixing of hot fluid and cold water; later heat transfer occurs across a stable bubble surface by condensation, calculated from kinetic theory. Eventually heat transfer is controlled by conduction in the surrounding water, but conduction-limited heat transfer in the early part of the transient is too slow to account for the experimental results. The mechanical work done by the expanding bubble is reduced significantly by the heat and mass transfer.     

水基磁性流体池沸腾传热强化的实验研究

通过水和水基磁性流体池沸腾传热的对比实验,确定了水基磁性流体强化沸腾传热的效果,并进行了机理分析。实验结果显示,热流密度相同时,水基磁性流体的沸腾换热系数比水至少增强2倍,施加磁场可进一步强化沸腾传热,增强倍数可超过5倍。通过分析磁场对磁性流体中沸腾汽泡的影响,认为施加磁场有使汽泡脱离直径减小,生长速度加快和脱离频率增加的作用。     

常压下ATF锆合金包壳Cr涂层表面饱和池式沸腾气泡行为实验研究

铬（Cr）涂层锆合金包壳是最有前途的耐事故燃料（ATF）的新型包覆材料之一,对其表面的气泡动力学进行研究有助于评估是否具有更好的传热性能。在常压下的Cr涂层锆合金包壳池式沸腾实验装置中对不同工艺方法下制备的Cr涂层锆合金包壳进行实验,研究了粗糙度等表面状态对气泡产生、长大以及脱离等气泡行为的影响。结果表明,气泡接触角与Cr涂层表面粗糙度有关,粗糙度越大,表面气泡接触角越小;不同涂层工艺下制备的4种Cr涂层锆合金包壳样件表面的气泡脱离直径范围为1.256～1.446 mm,气泡脱离频率范围为29.99～50.97 Hz;气泡脱离直径与粗糙度呈负相关,脱离频率与粗糙度呈正相关;气泡脱离直径预测模型与实验数据之间的偏差为±6%,脱离频率预测模型与实验数据之间的偏差为±3%。     

低压下水欠热流动沸腾的两相CFD数值模拟研究

采用两流体(汽相和液相)基本数学模型,结合汽相和液相之间的界面传热、传质和动量交换封闭模型、汽泡平均直径模型、汽泡脱离直径模型、汽泡成核模型、汽泡脱离频率模型、欠热沸腾起始点模型和壁面热流密度分配模型,在CFD软件CFX4.4中采用用户自定义函数将相变引起的传热、传质和动量交换作为源项分别添加到汽相和液相的能量、质量和动量守恒方程中,对低压下内管加热外管绝热的环形通道内的欠热沸腾进行了数值研究,得到了欠热流动沸腾下汽相体积份额、液相速度、汽相速度分布等。采用Lee等的环形通道内低压下欠热沸腾体积份额实验数据对计算结果进行了验证,吻合良好。     

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明，汽泡在核化点生长时，汽泡底部与加热面存在一小的接触面，总体而言，汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下，不同核化点处汽泡生长规律基本相同，但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小，脱离时间较长，可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内，统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随入口欠热度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随主流速度的增加，汽泡平均脱离直径减小。     

解瞬态热传导问题的边界元法

本文提出了一个用边界元法分析瞬态热传导问题的方法。采用稳态问题的基本群,并通过分离变量,导出了边界积分方程,叙述了数值求解的处理过程。对二维瞬态热传导的实例进行了计算,结果与解析解相比较,证明方法是方便有效的。     

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。     

Numerical simulation on single bubble behavior during Al2O3/H2O nanofluids flow boiling using Moving Particle Simi-implicit method

In this study, regression analysis on the thermal properties of Al₂O₃/H₂O nanofluids was made firstly. The growth and departure of a single bubble behavior in Al₂O₃/H₂O nanofluid and pure water flow boiling process were then numerically simulated by an improved Moving Particle Semi-implicit method in different flow boiling conditions. The results indicate that the bubble in Al₂O₃/H₂O nanofluids grows faster and the bubble departure frequency of Al₂O₃/H₂O nanofluids is greater than that in pure water. The flow boiling heat flux is also improved by dispersing nanoparticles of Al₂O₃/H₂O in pure water. This work initially reveals that nanofluids can enhance flow boiling heat transfer from the point of view of bubble dynamics behavior. The effects of nanoparticle concentrations and diameters of Al₂O₃/H₂O nanofluids on the bubble behavior were also investigated and compared under the same flow conditions. It is found that the increasing of nanoparticle volume concentration may increase the bubble departure frequency and departure diameter, while the increasing rates of departure frequency and departure diameter are lessened with the increasing of nanoparticle volume concentration. It is suggested that the suitable nanoparticle volume concentration of nanofluid for flow boiling heat transfer enhancement should not be too large, especially regarding the negative effect of flow resistance increase due to the increasing of nanoparticle volume concentration. The interesting finding is that in the same nanoparticle volume concentration condition, the bubble departure frequency for the nanofluid with nanoparticle diameter of 29 nm shows a maximum value. The increasing of nanoparticle diameter leads to the decreasing of bubble departure diameter. It is boldly to predict that an optimal nanoparticle diameter range between 20 and 38 nm should be beneficial to flow boiling heat transfer enhancement of Al₂O₃/H₂O nanofluids.     

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。