窄通道流动沸腾换热特性实验研究

以40 mm×2 mm窄矩形通道中流动沸腾换热实验数据为基础,分析影响充分发展沸腾起始（FDB）点位置及换热系数的主要因素,并将实验值和计算值进行对比。FDB点实验值与Bowring模型和Saha-Zuber模型的计算值符合良好,相对误差在20%以内。将实验得到的窄矩形通道换热系数与Chen公式、Gungor-Winterton关系式和Sun Licheng关系式的计算值进行比较,结果表明：应用在常规通道的Chen关系式已不再适用于窄矩形通道传热系数的计算,而考虑窄通道尺寸效应并认为热流密度在饱和沸腾中起主要作用的Sun Licheng关系式与实验值较接近,相对误差在30%以内。     

水平矩形窄缝通道内水沸腾换热的实验研究

以去离子水为工质,在1.0～6.0MPa压力范围内,对大宽高比(1.0×60mm、1.8×60mm、2.5×60mm)矩形狭窄通道内两相沸腾的换热特性进行了实验研究.分析了压力、窄缝间隙、热流密度、质量流量、含汽率等参数对矩形窄缝通道内水的沸腾换热的影响,得到了矩形窄缝通道内沸腾换热经验关系式,与实验数据符合良好.     

大宽高比矩形窄缝通道沸腾起始点实验研究

矩形窄缝通道中的泡核沸腾起始点（ONB）预测对反应堆安全设计十分重要。针对通道尺寸为50 mm×3 mm×1000 mm的竖直矩形窄通道,以去离子水为介质,通过监测壁面温度变化确认ONB的位置,研究了热流密度、质量流速、压力、入口过冷度等参数对ONB发生位置和壁面过热度的影响。收集并评价了已有的8个ONB预测模型,结合实验数据分析得到结论：基于池沸腾的ONB预测模型及其改进模型不能很好的适用于矩形窄通道内,尤其是针对质量流速带来的影响。一些针对矩形通道ONB预测开发的模型可以一定程度上反映ONB点壁面过热度随不同参数变化的发展趋势,但由于实验参数范围不够宽,适用范围和预测精度仍受到限制。结合影响矩形窄缝通道ONB发生的主要因素,推导了适用于计算宽谱参数工况下矩形窄通道中ONB点壁面过热度的解析解形式,并利用实验数据进行了拟合,新关系式超过95%的预测结果与实验结果偏差小于±20%。同时新关系式对其他相关公开文献的ONB数据预测仍在较好的误差范围内。     

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。     

摇摆运动下矩形窄通道内流动沸腾阻力特性

本工作对摇摆运动下水在矩形窄通道内流动沸腾阻力特性进行实验研究分析。一方面利用竖直静止实验数据对已有两相压降的计算方法进行评价,结果表明,应用于常规通道的关系式已不适用于窄通道中流动沸腾压降的计算,基于窄通道的Zhang-Mishima及Sun-Mishima关系式预测结果与实验值符合较好;另一方面得出了摇摆运动下流动沸腾阻力特性,摇摆运动使两相压降周期性波动,但摇摆角度和摇摆周期对压降的波动幅度、两相平均摩擦压降几乎无影响。     

矩形窄通道内流动沸腾阻力实验与计算方法研究

基于换热器小型化的研究背景,对水在矩形窄通道内流动沸腾阻力特性进行了实验研究与分析,并利用实验结果对常规通道和窄通道的两相摩擦压降计算的6种方法进行了评价。结果表明,应用于常规通道的关系式已不适于窄通道中流动沸腾压降的计算,而基于窄通道的Zhang-Mishima及Sun-Mishima关系式预测结果与实验值符合较好。实验结果和理论分析表明,利用分相流方法得到的分液相摩擦因子计算式中Chisholm系数C与Martinelli参数X存在指数关系,且随着质量流速的变化也有所不同,据此给出了新的分液相摩擦因子的计算方法,新方法具有更高的计算精度。     

竖直矩形窄缝通道内过冷沸腾传热特性的实验研究

以去离子水为工质,在进口压力为0.1～0.3 MPa、质量流速为200～1400 kg·m^-2·s^-1、热流密度为20～320k W·m^-2的参数范围内,对截面参数为50mm×2mm的竖直矩形窄缝通道展开了传热实验研究。实验获得通道内部工质由单相状态到过冷沸腾状态的传热过程曲线,将过冷沸腾段实验值与8个经验公式提供的预测值进行了对比与分析,采用相似原理以及回归分析法,建立了适用于竖直矩形窄缝通道的过冷沸腾准则关系式。研究结果表明,在竖直矩形窄缝通道内,热流密度对过冷沸腾传热具有主导作用;对于本实验的窄缝通道,Bertsch传热公式对于过冷沸腾段的预测效果相较于其他公式更好,本研究所建立的准则关系式与实验数据符合良好。因此,本研究建立的公式能够用于竖直矩形窄缝通道过冷沸腾传热系数的预测。     

窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内垂直上升流过冷流动沸腾区域汽泡脱离频率进行可视化实验研究。结果表明,汽泡脱离频率随质量流速的增大而减小,随入口过冷度的增大而减小,随热流密度的增大而增大。将实验数据与文献中汽泡脱离频率计算模型进行比较,发现基于池式沸腾和饱和流动沸腾开发的计算模型不能准确预测过冷沸腾区域汽泡脱离频率。本文以无量纲参数的形式,分别用液相雷诺数、过冷雅各布数和核态沸腾热流密度表示质量流速、主流过冷度和热流密度对汽泡脱离频率的影响,获得矩形窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率预测关系式,关系式的平均预测误差为±17.1%。     

低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性

为探究低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性,开展本实验研究。通过分析实验中采集的热工参数和可视化图像,探究了沸腾滞后现象、沸腾失稳现象以及沸腾换热特性。实验发现沸腾起始点壁面过热度较高,而沸腾的发生大幅提高了换热系数,因此出现了显著的沸腾滞后现象。实验中较为光滑的加热面可达到较高的过热度,而低压下快速产生的气泡尺寸较大,在较低的热流密度下气液界面发生剧烈变化,使气泡破裂为多个小气泡并成为核化点。在过冷沸腾换热系数的预测中,Dittus-Boelter对流换热关系式不再适用,采用Hallman关系式和Gnielinski关系式计算对流换热系数,并引入壁面过热度对池式沸腾换热系数进行修正,可使过冷沸腾换热系数的预测精度大幅提高。     

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。