矩形窄缝通道内水沸腾流型理论研究

对矩形窄缝通道(1×20mm,2×20mm)中水沸腾的汽液两相流动流型转化准则进行了研究。根据实验结果,水平矩形窄缝加热通道中流型可以分为泡状流、间歇弹状流、搅拌流、环状流和汽液分离流。运用分相流模型对矩形窄缝通道中水沸腾的汽液两相流动流型进行了理论分析,得出了相应的流型转换准则,并与实验数据进行了初步比较,符合较好。     

不同窄缝宽度下窄矩形通道中沸腾临界可视化流型及触发机理

窄矩形通道因具有结构紧凑等优点而被广泛应用于各个领域。为完善窄矩形通道中临界热流密度（Critical Heat Flux,CHF）的预测方法,提高反应堆安全性和经济性,本文进行了不同窄缝宽度下窄矩形通道内CHF可视化试验来探索CHF触发机理。实验同步采集不同窄缝宽度下可视化结果和热工水力数据,结果发现：当窄缝宽度分别为5 mm、3 mm、2 mm和1 mm时,在发生CHF时,通道内流型分别对应泡状流、弹状流、搅混流和环状流。在发生CHF前,在泡状流、弹状流和搅混流都存在温度波动。在环状流中CHF涉及到区域由初始的干斑逐渐扩展;在搅混流时CHF涉及到的区域较小;而弹状流涉及到的区域最广;在泡状流中加热壁面温度波动频率最高。当系统压力在1～4 MPa范围内、在窄缝宽度为1 mm时,系统压力与CHF之间存在非线性关系,而在其余通道中随着系统压力增加CHF增加。因此,窄缝宽度对窄矩形通道中CHF有非常重要的影响。本文分析结果可为CHF机理模型的建立提供思路。     

不对称加热矩形窄缝通道临界热流密度研究

以氟利昂12为冷却介质,对4种加热比条件下的矩形窄缝通道双面不对称加热工况下的临界热流密度(CHF)进行实验分析,获得各种工况下CHF与冷却剂质量流速、入口过冷度、出口含汽率的关系。实验结果表明:低含汽率下,CHF随加热比的增加而增加,随着含汽率的增加,不同加热比的实验通道内CHF差异减小;高含汽率下,CHF随加热比变化趋势与低含汽率的相反。     

矩形窄缝通道内泡状流—弹状流流型转变准则研究

在两相流系统中,流型影响系统的摩擦阻力和传热等特性,准确判定不同流型对于两相流的计算具有重要意义。对于窄缝通道内的气液两相流动,特别是矩形窄缝通道内流型转变准则,已有学者进行了一定的实验研究,但由于实验装置及工况的限制,目前尚缺乏统一且适用性较广的流型转变准则,已有的基于矩形通道的流型判定准则适用性也有待于进一步评估。本文以空气-水为工质,对竖直矩形窄缝通道内泡状流-弹状流流型转变准则进行分析研究,基于1 168个流型实验数据,采用分界成功率对已有转变准则对于实验数据的适用性进行定量综合评价,并针对流型转变原理开展理论分析,引入无量纲数约束因子Co,建立考虑工质物性和流道尺寸、精度更高、适用范围更广的窄缝通道内泡状流-弹状流流型转变准则。本文结论可为反应堆换热元件和紧凑式换热器设计计算提供依据。     

矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度试验本体设计

矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度试验研试验数据处理等,而试验本体的设计是试验研究能否正常开展的关键.因此,准确、合理的试验本体的设计,对于矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度试验研究是非常重要的.本文介绍了矩形窄缝通道轴向功率按截断余弦分布的临界热流密度试验本体的设计方法和结果.试验采用电加热方式,通过改变试验本体沿轴向的壁厚来实现非均匀加热,本文还介绍了试验本体的绝缘措施,临界测量方法等.     

纵向涡作用下窄缝矩形通道外壁温可视化研究

在窄缝矩形通道内设置4对周期性分布的矩形块纵向涡(LV)发生器作为强化换热措施,应用红外热成像测温技术对该通道加热板外壁面温度场进行可视化测量.测量结果表明,LV以一定作用距离和相对强度对温度场进行重构,形成了窄缝矩形通道内加热板外壁温交替下降和上升的类周期性变化过程,提高了通道内整体对流传热能力.     

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.     

矩形窄缝通道内单相水流动特性研究

通过理论分析,得到了计算矩形窄缝通道单相层流摩阻系数的公式。对小高宽比矩形窄缝通道内的流动特性进行了实验研究,结果表明：矩形窄缝通道内单相摩阻系数随Re变化的曲线和圆管有相同的趋势,但圆管流动摩阻公式不适用于矩形窄缝通道。矩形通道内摩阻系数与Re和通道截面高宽比有关,通道高宽比越小,摩阻系数越大。实验结果和理论推导结论一致。从截面湿周和切向应力两方面解释了高宽比对矩形窄缝通道内单相水层流摩阻特性的影响机理。     

矩形窄缝通道内汽泡脱离直径可视化研究

以去离子水为介质,研究热流密度、入口过冷度和质量流速等热工参数对矩形通道内汽泡脱离直径的影响。主要参数如下:主流流体流动方向分别为竖直向上和纵倾45o,压力为0.16 MPa,质量流速G=300~700 kg/(m2.s),热流密度q=27.6~228.3 kW/m2,入口过冷度ΔTsub=20~40℃。研究发现,热流密度和入口过冷度对汽泡脱离直径的影响不明显;随着质量流速的增大,汽泡脱离直径明显减小。     

矩形窄缝通道临界热流密度数值预测

利用已有的实验数据对Weisman模型和Kwon模型的计算结果进行计算与分析.结果表明:2套模型计算偏差分布趋势相似,但Kwon模型的分散度较小,精度更高.对于矩形窄缝通道,已有的汽泡壅塞模型预测精度较差;不宜将汽泡壅塞模型直接用于矩形窄缝通道.结合矩形窄缝通道自身的特性对其中的Kwon模型进行了拓展.改进后的模型具有...     

三面加热窄矩形通道内弹状流截面含气率的实验研究

本文以去离子水为实验介质,对截面为3 mm×43 mm的三面加热窄矩形通道内充分发展的弹状流进行实验研究。借助高速摄影仪对弹状流进行可视化实验观察,观察到弹状流的4种演变行为：弹状流充分发展、夹心型弹状流的形成、小汽弹合并成大汽弹、大汽弹合并成加长型弹状流。分析了部分热工参数对弹状流截面含气率的影响,通过引入雷诺数,对三面加热窄矩形通道内弹状流的实验数据进行非线性回归分析,得到适用于三面加热窄矩形通道内弹状流截面含气率的计算关系式。结果表明,新拟合得到的关系式能较准确地预测三面加热窄矩形通道内弹状流的截面含气率,其预测值相对误差为12.36%。     

矩形窄缝通道近壁汽泡滑移和浮升可视化实验研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面拍摄、观察矩形窄缝通道内近壁汽泡滑移、浮升运动,发现在加热面倾斜朝上和竖直向下流动沸腾时汽泡易于浮升。汽泡浮升后,其运动速度迅速增加。由于浮升汽泡处于过冷流体中,其界面上发生冷凝,导致汽泡界面形状变化较大。基于可视化实验结果,从受力角度分析不同流动方式和加热面放置方式对近壁汽泡滑移和浮升的影响。     

窄矩形通道内单相水阻力特性实验研究

文章对两个宽高比不同的窄矩形通道在竖直与倾斜条件下的单相水阻力特性进行了实验研究。通过对实验数据的分析确定了窄矩形通道内单相流动从层流向紊流转变的临界雷诺数为2400左右。在层流区内,竖直和倾斜条件下试验段内单相水的阻力系数实验值均大于圆管经验公式值,紊流区内阻力系数实验值与Blasius经验公式值符合良好。倾斜对试验段内单相水的阻力特性无影响,但宽高比越小,阻力系数越大。     

窄矩形通道内Ledinegg不稳定性实验研究

为研究窄矩形通道Ledinegg不稳定性，分析影响系统Ledinegg不稳定性的主要因素，对窄矩形通道进行了一系列的实验研究和数学理论推导。实验表明：随热流密度的增加或系统压强的减小，窄矩形通道内部特征曲线负斜率区斜率变小。此斜率越小，系统发生不稳定的概率越大，且流量漂移的波动振幅越大；与常规通道不同，过冷度对窄矩形通道Ledinegg不稳定性的影响程度很小。在忽略窄矩形通道内的加速压降和重力压降，仅考虑摩擦压降的情况下，推导出窄矩形通道内部特征曲线的数学关系式，给出了系统达到稳定的数学条件。     

竖直窄矩形通道气液两相流流型识别研究

在实验研究的基础上,采用小波分析的方法对窄矩形通道内两相流的流型进行有效的识别,为在不可视或不能进行摄影测试技术特殊情况下提供了有效识别方法。通过可视化观察发现,窄矩形通道内两相流流型主要有泡状流、弹状流、搅混流和环状流。采用小波分析法给出了4种流型的功率密度图,并结合每种流型的特征及压差波动特性,对每种流型的频率分布范围及最大能量分布范围给出了界定。因此,利用频率分布特征值及最大能量分布值可对流型进行有效的识别和判定。     

矩形窄缝通道流动不稳定起始现象实验研究

以去离子水为工质,在P=1～15 MPa,G=50～2000 kg/(m2·s),△Tsub,in=20～100 ℃,q=40～1000 kW/m2的参数范围内,实验研究了1000×25×2 mm矩形窄缝通道内工质向上流动时,重要热工水力参数对通道流动不稳定起始点(OFI)的影响特征.得到了OFI点与系统参数(包括系统压力、入口过冷度和热流密度)之间的关系;讨论了OFI点与出口热平衡含汽率之间的关系.用St数和Pe数建立了适合于本实验参数和相近条件下的流动不稳定起始点计算关系式:当热流密度低于400kW/m2时,其预测偏差在±30%以内;热流密度高于400kW/m2时,其预测偏差在±10%以内.用OFI点的热流密度与出口达到饱和时的热流密度之间的关系拟合得到经验关系式:当热流密度低于400kW/m2时,其预测偏差在±15%以内;在热流密度高于400kW/m2时,其预测偏差在±5%以内.     

窄矩形通道内脉动流过渡特性实验研究

针对光滑窄矩形通道内简谐脉动流层流-紊流（Re范围为750~4 450）过渡特性进行实验研究。研究发现,脉动流加速阶段,摩阻系数大于稳态摩阻系数,而在减速阶段摩阻系数小于稳态摩阻系数。Womersley数对层流-紊流临界Re有显著影响,在脉动流加速阶段,临界Re随Womersley数的增大而减小,而在脉动减速部分则相反。通过实验拟合出一适用于预测临界转捩点的经验公式,且与稳态有着良好的衔接。     

垂直向上窄间隙矩形通道内单相流动特性实验研究

以垂直向上窄间隙矩形通道为研究对象,开展了恒热流密度加热条件下的单相流动特性实验研究。根据测量的温度、流量、压降和热流密度,获得一定工况范围内层流、过渡流和湍流流动的非等温摩擦系数实验数据,并基于这些实验数据对现有的预测关系式进行了对比评价。结果表明,由Kays和Clark提出的层流等温摩擦系数关系式以及由Blasius、Techo、Moody提出的湍流等温摩擦系数关系式的预测结果均与相应的实验结果具有较好的一致性。     

窄矩形通道两相流动沸腾压降特性实验研究

实验研究了横向均匀和非均匀(多项式和正弦分布)加热条件下垂直矩形通道(2 mm×60 mm×1 000 mm)的沸腾压降特性,实验段为双面加热,有效加热面尺寸为56 mm×700 mm。工作流体为去离子水,通过改变入口压力和流量边界开展不同参数工况下的实验研究。结果表明,两相压降梯度随饱和压力的增加而减小,随质量流速的增加而增大,含气率对两相压降的影响与质量流速有关,横向功率分布形式对流动沸腾压降也有重要影响。基于均匀加热实验数据对现有的两相压降预测模型进行了评价,发现使用等效黏度假设的均相模型极大低估了实验值,且预测结果的分散度较大;分相模型中Müller-Steinhagen和Heck、Li和Wu关系式预测效果最好,平均绝对误差分别为11.8%和12.3%,且大多数预测值在±20%误差带内。本文基于Müller-Steinhagen和Heck关系式形式引入邦德数Bo考虑表面张力的影响,拟合得到新的预测关系式,该关系式对实验数据的预测误差在±8%的误差范围内。     

Experimental Study on Two-phase Flow Boiling Pressure Drop Characteristics in Narrow Rectangular Channel

The flow boiling pressure drop characteristics of a vertical rectangular channel (2 mm×60 mm×1 000 mm) were studied under transverse uniform and non uniform heating. The test section was double-sided heating with an effective heating area of 56 mm×700 mm. Three kinds of heating power distributions (uniform, polynomial and sinusoidal) were selected, and the working fluid was deionized water. A wide range of operating conditions was obtained by varying the inlet pressure and mass flux. The results show that the pressure drop gradient decreases with the increase of saturation pressure and increases with mass flux. The influence of vapor quality on two-phase pressure drop is related to mass flux, and the transverse power distribution has an important effect on the flow boiling pressure drop. Based on the experimental data of uniform heating, the existing two-phase pressure drop prediction model was evaluated. The homogeneous model using the equivalent viscosity assumption significantly underestimated the experimental values, and the data dispersion is relatively large. The Müller-Steinhagen and Heck and Li and Wu formulas are found to be the best with mean absolute errors of 11.8% and 12.3%, and most of predicted values are within ±20% error band. In this study, a new correlation based on the form of Müller-Steinhagen and Heck formula was proposed, and the Bond number Bo was introduced to consider the effect of surface tension. The prediction error of the new correlation for experimental data is within 8% error band.