高热流条件下过冷沸腾流动阻力特性试验研究

过冷沸腾在高热流冷却场合得到了广泛的应用,如聚变堆偏滤器冷却、压水堆堆芯冷却。其中,过冷沸腾流动阻力是换热系统设计的关键内容之一。试验研究了高热流条件下竖直通道内水的过冷沸腾流动阻力特性,试验段为内径6 mm、长径比44.4的不锈钢圆管。试验参数范围：热通量7.5~12.5 MW/m²,质量流速6000~10000 kg/(m²?s）,系统压力3~5 MPa,进口流体温度80~200℃。分析了质量流速、热通量、压力、沸腾数、Jacob数等参数对阻力的影响。结果显示,过冷沸腾流动阻力随着热流及质量流速的增加而增加,随压力增加而减小。将试验数据与文献中的经验关联式作对比,结果表明各关联式的预测误差较大,主要归结于拟合参数及工作流体的差异。研究发现管径尺寸效应也是影响阻力的一个因素,为此在前期成果的基础上,提出了一个添加管径因素修正项的经验关联式,该关联式的预测误差在±18%范围内。     

微小通道内过冷流动沸腾阻力特性实验及预测研究

实验探究了微小圆管内(内径1 mm)过冷水流动沸腾的阻力特性,参数范围：热通量4.0～5.6 MW/m²,压力3.0～5.0 MPa,质量流速2000～4200 kg/(m² s),进口热力学干度-0.50～-0.10。获取了质量流速、压力、热通量等参数对过冷沸腾阻力的影响,并重点关注其预测方法。将测试数据与典型阻力关联式对比,结果表明,由于高热流、微通道等特殊因素,导致大部分阻力关联式的预测精度不够理想。为更准确预测高热流过冷沸腾阻力,基于LeakyReLU函数,建立了遗传算法优化的极限学习机模型(GA-ELM),其预测精度优于传统关联式(平均绝对误差为2.0%),且泛化性良好。研究工作可为微小尺度流动换热系统设计优化提供支撑。     

碳酸钙在流动过冷沸腾条件下的结垢机理研究

Fouling of heat transfer surfaces during subcooled flow boiling is a frequent engineering problem in process industries. It has been generally observed that the deposits in such industrial systems consist mainly of calcium carbonate （CaCO3）, which has inverse solubility characteristics. This investigation focused on the mechanism to control deposition and the morphology of crystalline deposits. A series of experiments were carried out at different surface and bulk temperatures, fluid velocities and salt ion concentrations. It is shown that the deposition rate is controlled by different mechanism in the range of experimental parameters, depending on salt ion concentration. At higher ion concentration, the fouling rate increases linearly with surface temperature and the effect of flow velocity on deposition rate is quite strong, suggesting that mass diffusion controls the fouling process. On the contrary, at lower ion concentration, the fouling rate increases exponentially with surface temperature and is independent of the velocity, illustrating that surface reaction controls the fouling process. By analysis of the morphology of scale, two types of crystal （calcite and aragonite） are formed. The lower the temperature and ion concentration, the longer the induction period and the higher the percentage of calcite nreciDitated.     

高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟

采用双流体模型对高压高过冷度下垂直圆管中水的过冷流动沸腾进行了数值模拟。通过对比不同气泡直径模型,揭示了气泡直径对于壁面传热方式的影响,确定了适合高压工况的气泡直径模型。考察了压力及壁面热通量对流动及传热特性的影响。计算结果表明,压力增加气泡脱离直径减小,单相对流传热所占比例增加,表面传热系数减小。高压高过冷度特征决定了气泡相分布极不均匀,随着热通量的增加,壁面附近容易形成气泡的密集,对过冷流动沸腾中的传热特性有重要影响。     

过冷流动沸腾状态下纳米氧化镁颗粒的污垢特性

为研究过冷流动沸腾状态下的颗粒污垢特性,在竖直向上的环形流动通道内,以纳米氧化镁颗粒悬浮液作为实验工质,通过改变工质浓度、热流密度和质量流量等得到不同工况下的颗粒污垢特性,并利用契尔顿-柯尔本类比建立了不同工况下的污垢分析模型。结果表明:由于壁面温度较高,过冷流动沸腾状态下颗粒污垢结垢迅速;工质浓度增加增大了流体与壁面间的浓度差,污垢热阻渐近值和结垢速率随着工质浓度增大显著增加;随着热流密度的增加,传质增强,污垢热阻渐近值增大;增加质量流量使壁面剪切力变大,污垢热阻渐近值出现轻微的下降;随着工质入口温度的提高,增强了气泡的剥蚀作用,污垢热阻渐近值与结垢速率下降明显。     

微细通道纳米制冷剂流动沸腾阻力特性

分别以质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的Al₂O₃-R141b纳米制冷剂和纯制冷剂R141b为工质,在水力直径为1333μm的矩形微细通道内进行了流动沸腾实验,分析了纳米颗粒浓度对工质两相摩擦压降的影响,对比了实验前后换热壁面的表面能。研究结果表明：实验工况相同时,质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的纳米制冷剂的两相摩擦压降均比纯制冷剂低,降低的最大幅度分别约为11.6%、14.8%和19.2%;实验后纳米颗粒在换热壁面附着,使壁面表面能增大,质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的纳米制冷剂实验后换热壁面表面能比实验前分别增大了1.26倍、1.44倍和1.91倍,减小了换热表面的粗糙度和提高其润湿性,使得工质两相摩擦压降减小;根据实验值与模型预测值的对比情况,对Qu-Mudawar模型进行修正,拟合得到的关联式能很好预测实验值,平均绝对误差为9.78%。     

环形通道内置螺旋线圈过冷流动沸腾传热特性

研究了置有螺旋线圈的内管加热环形通道中水的过冷流动沸腾传热特性。环形通道由铜制加热棒外套石英玻璃管构成,不同螺旋节距和线丝直径构成的5种螺旋线圈用于实验。对每种置入螺旋线圈管和光滑管分别进行了不同质量流速和热负荷下的16组实验,分析了线丝直径和线圈节距对传热系数的影响规律及机理。结果表明,螺旋线圈存在能使流体发生旋转分离,且使汽化核心密度增大,从而有效强化过冷沸腾换热;传热系数随着线圈节距的减小、线丝直径的增加,即节径比(P/e)减小而增大,当P/e最小为1.5时强化效果最好;最佳强化换热性能较光滑管的高出109%。将实验数据与4个经验关系式的预测值进行了比较,并给出了不同工况下各实验管的强化系数对比。     

摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡时空分布特性

过冷流动沸腾在核能、动力、化工等工业领域广泛存在,局部空泡分布特性的准确预测对构建两相流数理模型及两相流动压降和传热特性计算均具有重要意义。实验借助光学探针测量手段研究摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡分布特性,并提出多周期同相位叠加方法获得摇摆运动条件下局部瞬时空泡份额。实验结果表明:摇摆条件下圆管内局部空泡分布呈现周期性波动规律,摇摆条件下圆管轴心区及近壁区均会出现局部空泡份额峰值,且流道近壁区局部空泡份额波动幅度最大;与静止条件下不同,摇摆运动周期内过冷沸腾局部空泡份额空间分布形态随时间发生变化;摇摆周期和摇摆角度对过冷沸腾局部空泡分布特性也存在一定影响。     

摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡时空分布特性

过冷流动沸腾在核能、动力、化工等工业领域广泛存在,局部空泡分布特性的准确预测对构建两相流数理模型及两相流动压降和传热特性计算均具有重要意义。实验借助光学探针测量手段研究摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡分布特性,并提出多周期同相位叠加方法获得摇摆运动条件下局部瞬时空泡份额。实验结果表明:摇摆条件下圆管内局部空泡分布呈现周期性波动规律,摇摆条件下圆管轴心区及近壁区均会出现局部空泡份额峰值,且流道近壁区局部空泡份额波动幅度最大;与静止条件下不同,摇摆运动周期内过冷沸腾局部空泡份额空间分布形态随时间发生变化;摇摆周期和摇摆角度对过冷沸腾局部空泡分布特性也存在一定影响。     

流动过冷沸腾传热强化及阻垢

在流动沸腾传热实验中,考察了CaCO3污垢溶液的形成过程及各种工艺条件对流动过冷沸腾传热的影响. 研究条件包括流体速度、溶液温度、CaCO3溶液浓度及热通量,实验中发现了一些规律. 同时还考察了不同阻垢剂[聚天冬氨酸(PASP)、2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸(PBTCA)及氨基三甲叉膦酸(ATMP)]对流动过冷沸腾传热的影响. 结果表明,所选阻垢剂均能抑制污垢的生成并降低了污垢热阻,而且存在最佳浓度范围. 但不同阻垢剂的阻垢效果不尽相同,在本实验条件下,ATMP的阻垢效果最好,PBTCA次之,PASP的阻垢效果较差.     

开孔折流板流动阻力特性

为了开发研制新型高效换热设备,针对新提出的一种开孔折流板强化传热方式,对流动和传热状况进行了实验研究。设计和建立了一套流动阻力特性试验装置,对流体流经交错布置多个开孔折流板的矩形通道时的阻力特性进行了测试。通过所引入的参数f/f0比较了折流板开孔与不开孔情况下阻力系数的变化特点。实验结果发现:折流板开孔后的阻力系数变化趋势基本相同;对于开孔密度分别为0.42%、1.41%和2.51%的折流板,在一定的Re数范围内其阻力系数将大于未开孔折流板。其余折流板的f/f0均小于1,且开孔密度越大,阻力系数减小的程度越高。Re数等于3000左右f/f0出现极大值。综合比较传热实验结果发现,设置开孔折流板是一种有效的传热强化措施。     

高压流体过冷流动沸腾的数值模拟

在二流体模型基础上,采用RPI模型计算加热壁面的相间质量传输,对竖直圆管内高压流体过冷沸腾流动过程进行数值模拟.研究发现:壁面温度沿流动方向有明显拐点.根据壁温变化趋势可以判断,转折点位置即为过冷沸腾起始点;管内流体速度的增长曲线并不是简单单调递增的过程,而是速度增长由刚开始的缓慢上升到急剧上升,与空泡份额的分布曲线相...     

非均匀受热条件下螺旋管内流动沸腾换热特性

目前对螺旋管在其管外表面均匀受热,管内两相流动换热的研究已十分丰富;但是在其管外表面非均匀受热条件下,管内两相流动沸腾换热特性的研究鲜有报道。为了解决螺旋管在实际运用中遇到的非均匀受热问题、得到其换热特性,本文采用了实验的方法研究了卧式螺旋管周向非均匀受热条件下管内流动沸腾换热特性。其中实验工况范围为系统压力P=0.7~1.0MPa,质量流速G=181~364kg/(m²·s),质量干度χ=0.07~0.69。实验考察了螺旋管管外壁在两种非均匀受热条件下管内的两相流动沸腾换热系数与热流密度、质量流速、质量干度的关系,并与管周向均匀受热工况进行了比较。结果表明,在螺旋管外壁面“外半周绝热、内半周受热”情况下管内流动沸腾换热系数值最大,而管外壁面“内半周绝热、外半周受热”情况下最小。     

加热上升管内过冷流动沸腾数值模拟

采用计算流体动力学（CFD）程序CFX4.4对加热上升管内过冷流动沸腾工况下气水两相流动局部两相流参数（空泡份额和汽泡尺寸）进行了数值模拟。对数值差分方法、相关模型（界面力和气泡诱导的紊流）和汽泡尺寸进行了敏感性分析。空泡份额分布计算结果与实验结果比较表明,在低空泡份额工况下,两者符合较好,在高空泡份额工况下两者存在一定偏差,并且气相速度和汽泡尺寸的计算结果不理想。计算结果与实验结果之间的差异说明程序模型对于加热上升管内过冷流动沸腾模拟并不完善,建立更为合理的汽泡尺寸模型,考虑汽泡的合并和撕裂是必要的。     

在过冷流动沸腾期间硫酸钙污垢形成过程研究

在过冷流动沸腾条件下 ,对硫酸钙的沉积过程进行了研究 ,考查了不同流速和不同加热器表面条件下硫酸钙的结垢状况。研究表明 ,表面能对污垢沉积有显著影响 ,采用现代表面处理技术 ,对金属表面进行磁控溅射 ,可以降低金属表面能 ,抑制污垢在加热器表面上的沉积。同时 ,操作的工艺条件对硫酸钙结晶垢的形成也有一定影响 ,在一定流速范围内 ,提高流速 ,可减少污垢的形成 ,提高传热系数     

竖直圆管内液氮过冷流动沸腾数值模拟研究

在现有数学模型的基础上,从沸腾换热的机理入手,对过冷流动沸腾模型中的气泡参量模型进行了修正,分析确定了壁面热流密度的拆分方法,构建出适应于液氮的过冷沸腾计算模型。将新模型应用于CFX4.4中,对液氮在三维竖直圆管内的过冷流动沸腾进行了数值模拟。研究发现,在过冷流动沸腾形成之后,蒸发热流成为壁面换热的主要部分,沸腾换热占据换热的主导地位。数值模拟结果与已有的实验数据吻合较好,证明了新建模型的正确性。     

微槽道内流动沸腾的流阻特性研究

研究了去离子水在3种规格矩形微槽内竖直向上流动沸腾的流阻特性,着重考察了出口干度、质量流速、进口过冷度和微槽尺寸对沸腾流动压降的影响.试验结果表明,两相摩擦压降随出口干度增大而增大,在相同出口干度下,入口质量流速越大摩擦压降越大,摩擦压降与入口过冷度无关;随着微槽道尺寸减小,摩擦压降增大.     

液氮过冷沸腾壁面换热特性的数值研究

应用计算流体力学(CFD)研究手段,对液氮过冷沸腾过程进行了模拟。系统分析了过冷沸腾壁面换热过程中存在的各传热模式,得到3部分热流沿管长的分布规律。计算结果表明,在过冷沸腾后期,蒸发热流成为壁面换热的主要模式。同时,就壁面热流密度的变化对3部分热流的影响进行了分析。随着壁面热流的增加,过冷沸腾出口处淬火热流和对流热流将减小,只有蒸发热流增大,且所占总热流份额绝对占优,壁面热流的增加促进了沸腾换热。     

内加热式螺旋流流动沸腾传热研究

本文研究了内加热式螺旋流流动沸腾传热的传热性能与临界热通量问题，提出了有旁流和无旁流时沸腾传热系数的计算方法，并进行了验证。     

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。