汞-水混合工质脉动热管实验研究

在恒定加热功率条件下,考察了不同倾斜角时蒸发段壁面温度的脉动情况,发现了汞-水脉动热管微倾角起振的特性;在相同充液比下,对比了汞-水混合工质与纯水工质脉动热管在微倾角时的运行特性;对比了不同倾斜角下汞-水脉动热管的传热性能。实验结果表明：工质汞的掺入能够有效辅助脉动热管的微倾角起振,增加了脉动热管应用的灵活性。传热热阻随加热功率的增加而减小,而在高加热功率下,热阻大小基本不受倾斜角影响。实验中还发现汞-水脉动热管起振的临界热通量与热载荷施加的历史有关。     

矩形通道内低压自然循环压降型脉动及其复合型脉动可视化研究

以去离子水为工质,对矩形通道内低压自然循环压降型脉动及其复合型脉动进行可视化实验研究,利用可视化手段拍摄脉动过程气相分布状态图像。通过流量脉动曲线与图像进行对照,分析流量脉动的物理过程及产生机理。实验过程中发现4类动态不稳定性：第Ⅰ类密度波（DWO_Ⅰ）、压降型脉动（PDO）、复合型脉动（SPO）及第Ⅱ类密度波（DWO_Ⅱ）。重点分析了压降型脉动与复合型脉动产生机理、影响因素及流动不稳定性边界。实验研究发现,受矩形通道挤压效应及稳压器内部可压缩空间影响,工质在稳压器和循环回路之间往复波动,形成压降型脉动,增大加热功率压降型脉动会叠加第Ⅱ类密度波形成复合型脉动。两类脉动的起始点会随入口过冷度增加呈现偏离趋势,并且压力增加,偏离趋势会随之增大。通过相变数、过冷度数等无量纲参数绘制了压降型脉动不稳定性边界。     

矩形通道内低压自然循环压降型脉动及其复合型脉动可视化研究

以去离子水为工质,对矩形通道内低压自然循环压降型脉动及其复合型脉动进行可视化实验研究,利用可视化手段拍摄脉动过程气相分布状态图像。通过流量脉动曲线与图像进行对照,分析流量脉动的物理过程及产生机理。实验过程中发现4类动态不稳定性:第Ⅰ类密度波(DWOⅠ)、压降型脉动(PDO)、复合型脉动(SPO)及第Ⅱ类密度波(DWOⅡ)。重点分析了压降型脉动与复合型脉动产生机理、影响因素及流动不稳定性边界。实验研究发现,受矩形通道挤压效应及稳压器内部可压缩空间影响,工质在稳压器和循环回路之间往复波动,形成压降型脉动,增大加热功率压降型脉动会叠加第Ⅱ类密度波形成复合型脉动。两类脉动的起始点会随入口过冷度增加呈现偏离趋势,并且压力增加,偏离趋势会随之增大。通过相变数、过冷度数等无量纲参数绘制了压降型脉动不稳定性边界。     

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。     

循环流化床下料立管内气固两相流动状态与压力脉动的关系

在15 m高的大型气固循环流化床上对内径90和42 mm的下料立管内气固两相流的动态压力进行了测量. 实验结果表明,负压差下料立管内的气固两相流动存在着低频压力脉动,压力脉动的强度可以用动态压力的标准方差(Standard deviation, Sd)来表征,且与立管下料的流动状态密切相关. 立管下料的流动状态依据颗粒质量流量通量的大小有浓相输送状态和稀密两相共存两种状态. 浓相输送状态的压力脉动强度较大,是下行颗粒压缩其夹带气体引起气固两相强烈相互作用导致的;稀密两相共存状态的压力脉动强度较小,是密相段排料的不稳定性和稀相段较弱的气固相互作用共同引起的. 立管下料的压力脉动强度随颗粒质量流量通量的增加而增大,对于浓相输送状态,在实验操作范围内[Gs'=550~850 kg/(m2×s)],压力脉动的强度与立管下料质量流量通量近似成Sd=0.00875Gs'-4.77的线性关系.     

太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验研究

将太阳能加热器与气隙式膜蒸馏耦合,以质量分数3%的NaCl水溶液作为测试料液,进行太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验,研究热料液进口温度和流量、冷料液进口温度以及不同天气条件等对膜蒸馏产水通量和电导率的影响。结果表明,随着热料液进口温度和流量的增加,产水通量显著增大;而冷料液温度的升高则会使产水通量下降。不同天气条件下膜蒸馏产水通量差异较大,光照条件较好的晴天通量较高,阴天产水较少。当太阳能的集热面积为1.85 m~2、有效膜面积为1 m~2、进料体积流量为150 L/h时,该系统的最大产水通量为2.7 L/(m~2·h),日产水总量最大可达11.7 kg,产水电导率稳定在5~15μS/cm,脱盐率达到99.99%。实验结果对解决我国偏远岛礁的饮水问题具有一定的参考意义。     

新型空气隙膜蒸馏组件用于海水淡化

设计了一种基于中空纤维膜的螺旋缠绕式空气隙膜蒸馏组件,以模拟海水为原料液,考察了热料液进口温度T3、料液流量F、缠绕角度、空气隙厚度、内芯长度对膜通量和造水比的影响。实验结果表明,膜通量和造水比均随着热料液进口温度的增加而明显增大;当料液流量增加时,膜通量增大,造水比呈相反趋势;随着空气隙厚度的增加,膜通量和造水比均逐渐减小;膜通量和造水比均随着缠绕角度的增加而减小;内芯长度增加使得造水比提高,而膜通量则降低。实验过程中膜通量和造水比的最高值分别达到6.1 kg/(m~2·h)和5.8,产水电导率始终保持在20.0μS/cm以下。     

熔盐吸热管非稳态对流换热特性

实验研究了高温熔盐吸热管的非稳态对流换热特性。研究发现：加热热通量与熔盐流量变化将引起吸热管内熔盐的非稳态对流换热过程,熔盐出口温度与管壁温度变化趋势一致但变化速度较慢。熔盐进口温度越低时,熔盐黏度越大,非稳态过程进行得越慢;热通量变化量增大时,温度变化速率加大,但非稳态持续时间变化不大;熔盐流量变化的影响最为显著,熔盐流量增大时,非稳态过程显著加快。吸热管有保温层时,熔盐的非稳态对流换热特性与无保温层时基本一致,但管壁温度相对较高。     

不等径脉动热管的传热性能研究

设计了一套不等径脉动热管,并对其进行了性能测试。脉动热管由内径为2.5 mm和外径为3.0 mm的铜管制成,其中蒸发段、绝热段和冷凝段长度分别为400,360,40 mm。分析比较倾角0°(水平),30°,45°和90°(垂直)对不等径脉动热管的传热性能的影响。丙酮作为不等径脉动热管的工作流体,充液率分别为30%,50%和70%。超纯水作为冷却水,流量分别为0.1,0.3,0.5 m~3/h。实验结果表明:在不同热负荷下充液率、倾角和冷却水流量对装置的传热性能影响很大。最大传热量出现在充液率为50%、倾斜角度为90°、冷却水流量为0.5 m~3/h的情况下,装置的最小热阻为0.10℃/W。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

水平管内冷凝流动的稳定性

管内冷凝换热流动在紧凑型两相热控系统中比较常见,本文关注于冷凝两相流中的不稳定性。首先对工质在冷凝器中的热力学过程进行建模,然后利用Lyapunov稳定性理论讨论了冷凝流动过程中流动压降发生振荡的机理。发现失稳区间的质量流量开始点对应的出口工质干度为1,而失稳区间的结束点对应的工质出口干度通常在0.8左右。在大入口过热度、小管径以及低热通量下,冷凝器的压降-流量曲线会出现负斜率,工作流体若进入负斜率区域,会导致压力振荡,使得系统的运行变得不稳定。     

超临界压力下航空煤油热声振荡的特性和预测

对竖直上升圆管内超临界压力航空煤油的热声振荡型流动不稳定开展了实验研究。基于边界层理论揭示了热声振荡的形成机理和发展过程,阐述了运行参数对热声振荡边界的影响机制,通过进口拟过冷度和出口拟相变数建立了热声振荡边界的预测准则,解决了热声振荡的终态换热预测问题。结果表明,热物性剧烈波动使稳定的流动边界层和热边界层遭到破坏,引发了强化换热的热声振荡型不稳定流动现象。热声振荡临界热通量随着质量流速和进口温度提高均增加。高压力下流体热物性变化平缓,流动稳定性增强,更难出现热声振荡现象。热声振荡临界出口拟相变数随着进口拟过冷度增加近似线性下降,从而为避免不稳定流动现象提供了判别依据。     

超临界压力碳氢燃料瞬态加热响应特性

冲压发动机所使用的再生冷却技术将超临界压力碳氢燃料作为冷却剂, 对其传热特性的研究很有必要。对竖直圆管中碳氢燃料的瞬态加热过程中的流动特性开展了实验研究, 测量了壁温、进出口流体温度、进口压力、进出口压差等参数的变化, 得到了基本的响应特性。实验中发现周期性的压力、流量、温度振荡现象, 并得到了出现该现象的临界实验参数。     

基于流量振荡的窄矩形通道内临界热通量机理模型

设备最大运行功率受临界热通量(CHF)限制,而流量振荡会导致沸腾危机早发,此时的临界热通量称为PM-CHF。为了研究流量振荡条件下窄矩形通道内的临界热通量,进行单侧加热窄矩形通道内竖直向上流动条件下沸腾危机可视化实验,实验工质为去离子水,质量流速范围为350~2000 kg/(m²·s),窄缝宽度范围为1~5 mm,系统压力范围为1~4 MPa。结果显示,在窄矩形通道中CHF随质量流速的增加而线性增加。当流速较小时会发生流量振荡,振荡周期约为0.1 s。流量振荡继而导致沸腾危机早发,其流型表现为弹状流-搅混流。此外,针对本实验观察到的流量振荡和窄矩形通道内气泡动力学特性,从流量振荡的角度进行理论分析与推导,建立窄矩形通道内由于流动失稳引起的PM-CHF机理模型,预测误差在30%以内。     

基于流量振荡的窄矩形通道内临界热通量机理模型

设备最大运行功率受临界热通量(CHF)限制,而流量振荡会导致沸腾危机早发,此时的临界热通量称为PM-CHF。为了研究流量振荡条件下窄矩形通道内的临界热通量,进行单侧加热窄矩形通道内竖直向上流动条件下沸腾危机可视化实验,实验工质为去离子水,质量流速范围为350~2000 kg/(m²·s),窄缝宽度范围为1~5 mm,系统压力范围为1~4 MPa。结果显示,在窄矩形通道中CHF随质量流速的增加而线性增加。当流速较小时会发生流量振荡,振荡周期约为0.1 s。流量振荡继而导致沸腾危机早发,其流型表现为弹状流-搅混流。此外,针对本实验观察到的流量振荡和窄矩形通道内气泡动力学特性,从流量振荡的角度进行理论分析与推导,建立窄矩形通道内由于流动失稳引起的PM-CHF机理模型,预测误差在30%以内。     

竖直圆管内液氮流动沸腾传热特性的分析

实验研究了竖直圆管内液氮流动沸腾传热特性,分析壁面温度、流体温度、干度以及传热系数沿实验段管程的变化规律,考察热通量、质量流量和入口压力对液氮两相流动传热特性的影响。针对实验工况分别采用Chen、Klimenko、Shah以及Liu-Winterton关联式对传热系数进行预测,并将实验结果与预测结果进行比较,对不同传热系数区间内的相对误差进行了计算、分析,以评估实验工况范围内各关联式的准确性。结果表明,在传热系数较大的情况下,4个关联式的预测值普遍低于实验值,在整个实验工况范围内,采用Klimenko关联式预测时误差最小。     

矩形双通道间脉动的非单值性试验研究

矩形平行通道流动不稳定性问题是影响紧凑装置安全运行的重要因素之一。文中在中国核动力研究设计院热工试验回路上进行了矩形双通道管间脉动试验。通过对各种热工水力参数和单通道加热的试验研究,得出结论:在低压低质量流速下,随着进口过冷度的增加,界限含汽质量分数先增加、后减小;随着系统压力的升高,质量流速脉动周期先变短、后变长;在低质量流速下,单通道加热时产生管间脉动的界限热流密度比双通道均匀加热情况下的高,在较高质量流速下,单通道加热时的界限热流密度比双通道均匀加热情况下的低。     

微肋阵通道内流动沸腾CHF特性

以去离子水为工质,在质量流速G为96～224 kg·m^-2·s^-1,入口过冷度为20～50℃,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾临界热通量（critical heat flux,CHF）特性进行了实验研究。临界热通量是通道出口壁面干涸造成的,而出口壁面的干涸是由于流动沸腾向通道上游的反向流动。出口壁温的剧增和两相压降的剧减标志着CHF的发生。此外研究发现质量流速、入口过冷度、微肋形状等实验参数对CHF也有着很大的影响。实验结果表明：在相同的实验工况条件下,微肋片的存在大大减小了沸腾的反向流动和流动沸腾的不稳定性,微肋阵通道的CHF比光滑微通道更高,且椭圆形微肋阵的CHF最大,菱形微肋阵次之,圆形微肋阵最小;CHF随着质量流速和入口过冷度的增大而增大,但随着出口干度的增大而减小。最后将实验数据文献中的关联式进行了比较验证,结果表明该实验数据与关联式吻合良好。     

倾斜内螺纹管中亚临界及超临界水传热特性研究

为探究超（超）临界锅炉机组内螺纹管水冷壁的传热特性,在倾角5°~90°的?35 mm×7.75 mm倾斜上升内螺纹管中进行了实验研究,实验参数为压力15~28 MPa,质量流速600~1000 kg?m^-2?s^-1,热通量300~500 kW?m^-2。实验对比了内螺纹管与?25 mm×3 mm光管的壁温特性;讨论了倾斜角度、质量流速和压力的变化对内螺纹管中亚临界、近临界和超临界水传热的影响;拟合了不同倾斜角度下超临界水的传热关联式。结果表明：所用内螺纹管有明显的推迟传热恶化、强化传热的性能;不同倾斜角度的内螺纹管传热特性存在差异;亚临界压力下质量流速对气液两相区传热系数影响很小,近临界和超临界压力下,随质量流速的增加,整体上传热系数增大;压力为15 MPa时的传热系数最大。超临界压力下,随压力的增大,大比热容区的传热系数减小。