垂直向上圆管环状流临界热流密度研究

预测高含汽量下的临界热流密度对于直流蒸汽发生器和事故工况下反应堆堆芯的安全性具有工程价值.本文基于液滴夹带、沉积和液膜蒸发理论,对垂直向上的均匀加热圆管内环状流的液膜厚度和液膜质量流速沿轴向的变化进行了预测.结果表明,当液膜蒸干时,干涸发生,此时的热流密度即为临界热流密度.将理论计算的临界热流密度值与实测值相比较,实验数据偏高,偏差在30%以内.     

气液并流向下通过筛板孔口的液膜厚度模型

通过孔口的收缩-膨胀增强气液接触是强化气液两相传热传质的重要方式，其中孔口边缘的液膜厚度则是建立气液两相传递过程动力学模型的关键参数。基于孔口流动时的气液相力平衡原理，建立了气液两相并流向下通过孔口的液膜厚度模型，并将模型预测的液膜厚度与管道环状流液膜厚度进行了对比分析，表明了新模型的有效性和广泛适用性。基于新建液膜模型，从流体受力的角度分析了气液流量、液相运动黏度以及孔口直径等参数对液膜厚度的影响。结果表明：随气相流量提高，气液界面速度增大，气液界面剪切力增强，无因次液膜厚度随之减薄；液相流量增大，气相流通面积减小，气相流速增大，尽管气液界面剪切力及气液界面速度均有所增大，但液量的直接增量最终导致无因次液膜厚度增厚；液相运动黏度增加，尽管气液界面剪切作用增强，但气液界面速度减小，液膜厚度增厚；相同流量下，孔口直径增大，气液界面剪切力及气液界面速度均减小，液膜厚度随之增加。     

均匀加热窄通道内环状流液膜厚度和换热系数的预测模型

为探究窄矩形通道内环状流的流动传热特性,根据液膜的质量、动量和能量方程以及汽芯的动量方程建立了环状流的预测模型。对该模型进行数值求解,得出了窄矩形通道内环状流区域的沸腾换热系数,并分析了热流密度、质量流速和矩形通道尺寸对液膜厚度的影响。结果表明:该模型能很好地预测沸腾换热系数,其误差在±30%以内,且热流密度和矩形通道的尺寸对液膜厚度的影响效果比较大。     

竖直环形狭缝通道内环状流的预测模型

对竖直环形狭缝通道内环状流流动沸腾传热理论模型进行了分析，以液膜质量、动量和能量守恒方程为基础，结合汽芯动量方程建立了竖直环形狭缝通道内环状流的数学物理模型。对该模型进行数值求解，得出了液膜厚度、液膜内的速度分布和温度分布、内—外管的换热系数以及通道内压降值，并与实验值进行了比较。     

双面均匀加热矩形窄缝通道内DNB型临界热流密度理论预测

基于微液层蒸干的临界触发机理,构建了偏离泡核沸腾(DNB)型的临界预测模型。通过对临界点处的汽块进行受力平衡分析,基于优化后的侧面提升力系数CL,确定了汽块滑移速度、微液层液膜厚度等参数,实现对均匀加热下DNB型临界热流密度的理论预测。采用2种加热长度下矩形窄缝通道内的临界热流密度实验数据对该模型进行了验证。结果表明:模型所预测矩形窄缝通道内的临界热流密度值与实验结果的偏差均在±15%之内,该模型的预测精度高于Bowring公式和Bettis公式的预测精度。     

压水堆乏燃料单棒冷却液膜流动特性实验研究

为避免在极端事故工况下,乏燃料水池会长期失去补水和冷却,第3代核电站如AP1000和CAP1400,引入了喷淋冷却系统。在喷淋条件下,乏燃料棒上液膜流动特性是影响冷却效果的重要因素,国内外学者还未对其做过详细的研究。本文使用光学法研究了在不同雷诺数(Re)条件下,对单根乏燃料棒进行喷淋冷却所形成的液膜厚度随时间和空间的变化。利用CCD相机采集液膜图像,并经过处理得到了清晰的液膜厚度图像和与图像吻合良好的数据。实验结果表明：当Re为608～7 538时,瞬态液膜厚度最大值出现在Re=7 085的条件下,其值为2.36 mm;随着Re的增加,时均液膜厚度会随之增加,并且液膜波动的振幅也会随之增加;在沿棒方向上,随着距棒顶距离的增加,液膜厚度会逐渐减小并趋于平稳,并且随着Re的增加,平稳部分会出现在距棒顶更远的位置。对乏燃料单棒冷却液膜流动特性的研究,为确定具有有效冷却能力的最小喷淋流量奠定了基础。     

曲率对竖直向上环形狭窄通道内环状流特性的影响

基于三流体分离流模型,以液膜质量、动量和能量守恒方程为基础,结合汽芯动量方程,对双面加热垂直向上流动环形狭窄通道内环状流特性进行数值模拟。将计算结果与实验结果相比较,两者符合较好。通过数值模拟,分析了曲率对环状流特性的影响,得到了曲率对液膜厚度、液膜内温度、液膜内速度、临界热流密度等的影响曲线。曲率越大,内液膜越薄,而外液膜越厚。内管干涸时,临界热流密度随曲率的减小而增大;外管干涸时,则反之。     

竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究

对冷态降液膜在大平板上的流动特性进行了实验研究,运用电容式精密测微仪测定垂直降液膜的厚度,考察了在无蒸发情况下雷诺数对降液膜厚度和流量对液膜覆盖率的影响规律,得到平均膜厚经验关系式,并认为液膜在达到临界膜厚后,随流量增加只会使覆盖率增大而厚度几乎不变,发现同流量下接触角较小的平板上液膜覆盖率较大。     

波形板壁面液膜的神经网络及混沌特性分析

波形板干燥器是船用核动力系统中重要的汽水分离设备,其壁面上自由下降液膜的流动特性对干燥器的汽水分离效率及船用核动力装置的安全性指标有着较大的影响。基于平面激光诱导荧光技术（PLIF）对不同雷诺数下的壁面薄层液膜厚度进行测量。通过小数据量法计算不同工况下的液膜厚度时间序列的最大Lyapunov指数,分析壁面液膜的混沌特性并进行相空间重构。利用反向传播（BP）神经网络解决非线性问题的优势对液膜厚度进行预测,完成了单隐层BP神经网络预测模型的建立并实现了自由液膜厚度的非线性特征分析。结果显示:最大Lyapunov指数与液膜雷诺数呈正相关关系;在大雷诺数区生成的孤立峰同重力及液膜间的叠加作用相互耦合,使液膜混沌特性变得更加明显。      

大平板上液膜冲击附板行为的数值模拟研究

利用FLUENT内的EWF模型对大平板上液膜冲击附板时发生的一系列流动行为进行了三维数值模拟研究。分析了不同工况下大平板上不同流量下降液膜冲击不同宽度和厚度附板后的液膜损失,并对比了一定高度返回槽收集水量的实验值和模拟计算值,两者吻合程度较为良好。分析了液膜冲击附板的流动行为的4个过程,并通过分析附板尺寸和液膜流量对液膜冲击附板行为的影响,得到了液膜损失率与受附板高度影响的液膜溅射空间数和液膜冲击附板时的韦伯数之间的关系,发现EWF模型在模拟降液膜冲击不同焊缝高度的附板时存在不足。     

竖直窄矩形通道内空气-水两相流中气弹运动速度研究

以空气和水为工质,应用高速摄像仪,对竖直窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内气液两相弹状流进行了可视化实验研究。气、液相表观速度分别为0.1~2.51 m/s和0.16~2.62 m/s,工作压力为常压。实验中发现窄矩形通道内弹状流与圆管中存在较大差别,气弹多发生变形,高液相流速时变形更为严重。窄边液膜含气量较高,在高液相流速时窄边液膜不下落,宽边液膜中含有由气弹头部进入和气弹尾部进入的气泡。气弹速度受气弹头部形状和宽度影响较大,受气弹长度影响较小。气弹速度可由Ishii & Jones-Zuber模型计算,但在低液相折算速度时偏差较大,其主要原因为漂移速度计算值较实验值偏小。     

Two-phase slug flow in vertical and inclined tubes

Gas-liquid slug flow is investigated experimentally in vertical and inclined tubes.The non-invasive measuremnts of the gas-liquid slug flow are taken by using the EKTAPRO 1000 High Speed Motion Analyzer.The information on the velocity of the Talyor bubble,the size distribution of the dispersed bubbles in the liquid slugs and some characteristics of the liquid film around the Taylor bubble are obtained.The experimental results are in good agreement with the available data.     

竖直窄矩形通道内弹状流中液膜特性研究

气液两相弹状流广泛存在于工程领域,弹状流中液膜特性对弹状流模型的建立具有重要意义。为此利用高速摄像系统,对竖直窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内弹状流中液膜进行了可视化研究。实验中发现窄矩形通道中气弹左右两侧窄边液膜厚度不等且存在波动,但其对两侧液膜速度影响较小,两侧液膜速度相等。液膜脱离厚度主要受两相流速及气弹长度影响。液膜脱离速度随液相折算速度增加而增大;在低液相流速时,随气相折算速度增加而减小;当液相流速≥1.204 m/s时,液膜不下落,液膜脱离速度随气相速度变化较小,主要受液相流速影响。     

基于MPS方法模拟液态铅铋合金中弹状气泡上升

基于移动粒子半隐式(MPS)方法对液态铅铋合金中单个弹状气泡的垂直上升行为进行数值模拟,得到弹状气泡上升过程的形态变化、气泡最终上升速度拟合直线及下降液膜厚度与下降液膜中的轴向速度分布。将部分数值模拟结果与文献中的实验结果进行比较,揭示了弹状气泡最终上升速度、下降液膜厚度及其中轴向速度分布所满足的规律。比较结果证明了所选取计算模拟模型的正确性与合理性,以及MPS-MAFL方法用于模拟弹状气泡上升行为的准确性与可靠性。     

竖直窄矩形通道内弹状流液弹中分区特性研究

弹状流的液弹部分受气弹尾部影响,其水力特性参数沿流动方向存在分区的不一致性。本文对竖直窄矩形通道中弹状流液弹内参数的分布特性进行了研究。结果表明：液弹内气泡在近壁面附近所受径向力较为平衡,气泡频率较大;随着远离气弹尾部,管道中间气泡频率逐渐增大。根据气泡频率波动变化将液弹分为3个区域,尾流区占液弹长度的40%～45%,过渡区占10%～15%,主流区占40%～50%。尾流区和主流区内,空泡份额呈“三峰型”分布;随着气相流速的增加,尾流区内近壁面处峰值逐渐增大,管道中间峰值逐渐下降,但主流区内情况相反。气泡直径随气相流速的增大而变大,且液弹内气泡聚合和破碎现象较少。     

Behavior of a Single Bubble in Quiescent and Flowing Liquid inside a Cylindrical Tube

The velocity of a single bubble in quiescent and flowing liquid was studied to gain information on the structure of bubble- and slug-flows of gas-liquid two-phase flow.

In the experiments, tap water was used at room temperature and the bubbles were generated by injecting air with a syringe. The bubble velocities were evaluated from photographs taken by multiflash exposure. The tube diameters adopted were 5, 1 and 0.5 cm for the flowing liquid experiments and 1, 0.5 and 0.2 cm for the quiescent liquid experiments. The average liquid velocities varied from about 0 to 2 m/sec.

The results indicated that the velocity of a single bubble in flowing liquid was the sum of the local liquid velocity in the vicinity of the bubble and of the velocity of rise of bubble in quiescent liquid. For Taylor bubbles, the local liquid velocity is given by the maximum liquid velocity near the center of the channel.

The velocities of spherical and ellipsoidal bubbles are determined by the balance of forces acting on them, but that of the Taylor bubble appears to be determined by a different mechanism. A good explanation of such a mechanism is Taylor instability at the gas-liquid interface well removed from the channel wall.     

Numerical investigation of bubble wake properties in the moving liquid with LES model

Wake flow caused by the relative motions between bubble and liquid phase influences bubble motions and enhances turbulent properties in the liquid phase. This phenomenon has been stressed for a better understanding of bubbly flow. In this paper, large eddy simulation (LES) is performed to simulate a single bubble rising in the moving liquid, with volume of fluid (VOF) method to capture the interface movements between bubble and liquid phase. The simulation results are firstly compared with the numerical and experimental data from the literature. A good agreement demonstrated the capability of the employed computational fluid dynamics (CFD) approach to predict turbulent properties in the liquid phase and capture interface movement as well as its induced wake flow. Consequently, the dynamic behaviors of a single bubble rising in the moving liquid were investigated. An ensemble averaged has been employed to evaluate the velocity distribution composed by wake velocity and liquid velocity quantitatively as well as the velocity fluctuations enhanced by bubble motion. Their dependency was also evaluated based on a systematic CFD simulation which covers a wide range of liquid velocity. With comparisons of the single phase flow, the influence from the existence of bubble on turbulent properties was determined.     

摇摆状态下气液两相流流型转变的实验研究

通过可视化观察和数码照片对摇摆状态下光滑有机玻璃管内气液两相流流型进行分类和定义,并分析了不同管径、摇摆角度以及摇摆周期对流型之间转变的影响.结果表明:在液相折算流速一样的情况下,管径增加、摇摆周期缩短或摇摆角度减小会使得环状流形成需要更高的气体折算流速;弹状流向搅混流转变所需气相流量则随着管径的减小、摇摆周期的增加或摇摆角度的减小而增加.而在气相折算流速一样的条件下,管径增加、摇摆周期缩短或摇摆角度增大会使泡状流产生需要更高的液相流量.     

基于竖直圆管空气-水两相流实验的相间曳力模型研究

研究两相流相间阻力特性对系统程序关键本构模型封闭具有重要意义。本文基于竖直圆管开展了空气-水两相流实验,采用四探头电导探针对空泡份额、气泡弦长和界面面积浓度等气泡参数的径向分布进行了测量。结果表明空泡份额和气泡弦长呈现“核峰型”分布,而界面面积浓度并没有表现出随流速的单调关系。进一步开发了泡状流和弹状流的相间曳力模型,考虑了液相表观流速与管径对气泡尺寸分布的影响,建立了临界韦伯数与不同液相流速的关系。计算得到的空泡份额和界面面积浓度与实验数据整体符合较好,验证了模型的可靠性,为两相流相间阻力特性研究提供参考意义。