垂直上升矩形流道内气液两相流流型图的数值模拟

两相流流型在分析换热、流动不稳定性以及临界热流密度方面具有基础性作用.本文基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,对垂直上升矩形流道内气液两相流动进行数值模拟,表观气速0.1～110 m/s,表观液速0.1～3.2 m/s.得到了流道内气液两相流的主要流型:泡状流、弹状流、搅混流和环状流,分析了流道内截面含气率分布与流型的对应关系,以及截面含气率与气液两相流容积含气率的关系;分析了各种流型下的压降分布特性,并绘制了基于气液表观动能通量的不同流量下气液两相流的流型图,直观的表示出各种流型的分布区域及各流型间的流型转换边界,与已发表文献的实验结果对比符合较好.     

基于非监督机器学习方法的竖直环形流道流动沸腾流型研究

研究流动沸腾两相流动形态对封闭反应堆安全分析程序关键本构模型具有重要意义。本文基于非监督机器学习流型识别方法，提出将两相流物理知识融入数据驱动的机器学习模型，并构建输入特征的挑选原则：(1)机器学习在输入特征中捕捉到的应为流型相关信息；(2)机器学习的聚类准则应包络该流型下输入特征的所有可能性。依据挑选原则分析电导探针信号生成的汽泡分布特征，确定汽泡弦长累积分布函数数据可用于非监督机器学习流型判断。依据流型识别结果，获得了竖直环形流道内流动沸腾的二维局部流型特性，发现高位局部流型出现在流道中心位置并偏向内加热壁面；并判别了流道截面的全局流型，结果表明流动沸腾泡状流至弹状流的流型转变出现在空泡份额约为0.14位置。     

横掠水平管束间气-液两相流流型对流致振动激励的影响

在气-液两相流现有的Taitel流型图和Ulbrich&Mewes流型图的基础上,通过分析试验数据提出一种新的流型图,根据该流型图将垂直向上横掠水平管束的气-液两相流分为3种流型:泡状流、搅拌-泡状流和间歇流,给出这3种流型下的两相流作用在管束上的激励力的时间历程、功率谱密度曲线和功率谱密度峰值对应的Strouhal数...     

单棒通道流动振荡诱发沸腾临界可视化实验研究

为深入分析沸腾两相流动振荡诱发沸腾临界的影响特性,本文以去离子水为工质,横截面19 mm×19 mm、中心为外径9.5 mm的单棒通道为研究对象,通过在不同热工参数下开展沸腾两相流动特性可视化实验研究,结合汽泡行为和汽-液界面特性,分析流动振荡诱发沸腾临界的影响特性。研究结果表明,低压力、低质量流速和低入口过冷度下,极易出现流动振荡,并导致沸腾临界提前发生,此时的临界热流密度与稳定工况下相比明显偏低;随着壁面热流密度不断增加,流道中两相流型先后出现泡状流、弹状流、合并弹状流、搅混流、剧烈搅混流、不稳定环状流;当流动出现剧烈振荡时,流道存在回流;发生沸腾临界时流道压降波动最大,对应的流型为不稳定环状流。因此,单棒通道内流动振荡可能会导致沸腾临界提前发生。      

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。     

竖直和倾斜条件下气-液两相流型转变研究

以去离子水和空气为两相介质,研究了竖直和倾斜条件下气-液两相流型,发现通道内存在弥散泡状流、泡状流、弹状流、搅拌流和环状流5种流型。通过对流型间转变特性的机理分析,构建了竖直和倾斜条件下各流型的转变准则,与实验数据进行了对比,符合很好。     

摇摆对水平管内气液两相流流型的影响

本文对水平放置在摇摆台架,随台架做偏离水平位置的左右往复运动的管内空气-水两相流流型进行了实验研究.实验发现,低流速时,摇摆状态下水平管内流动变得很小稳定,流型发生周期性的改变:当水平管处于倾斜向上或倾斜向下状态时,管内流型分别有些近似于非摇摆的稳态倾斜上升或倾斜下降管内流型,并且流型转变要经历一个发展的过程,发展快慢与气相和液相流速大小有关;而在高液相或高气相流速时,摇摆状态下与非摇摆稳定状态下的两相流流型相近,主要有泡状流、间歇流(弹状流和准弹流)和环状流.根据可视观察以及气液界面在一个摇摆周期内的整体特征和部分时间段的局部特征,定义了不同流动条件下气液两相流的流型,给出了摇摆状态下水平管内气液两相流流型图.     

窄间隙矩形通道间隙厚度对传热强化影响研究

根据窄间隙矩形通道的流道结构特点，参考圆管环状流临界热流密度（CHF）预测解析模型，得到了可以预测间隙厚度不小于0．5mm的窄间隙矩形通道内发生沸腾两相流环状流时的CHF解析模型。计算表明，当窄间隙矩形通道的进口截面宽度与间隙厚度比为25～85时，通道内的CHF值强化比较明显。根据汽-液两相介质的特点，推导出了在沸腾两相流系统中发生CHF时的传热强化判定准则。分析计算表明，这个判定准则是合理的，传热强化较好的进口截面宽度与间隙厚度比为45～75。综合两者的计算结果，窄间隙矩形通道内传热强化的参考进口截面宽度与间隙厚度比为45～75。     

在垂直环形窄缝流道中的沸腾传热特性研究

为了弄清在窄缝环形流道中气泡的形成、聚合和变形的特性 ,以及气泡在聚合变形之后对传热特性的影响 ,在常压下用蒸馏水对窄缝间隙为 0 75mm的垂直环形流道 ,进行了可视化的流动沸腾传热实验研究 ;实验段的有效加热长度为 90 0mm ,其加热方式为单面内侧加热 ,实验的流量变化范围为 1 667× 1 0 - 5m3/s至 5 833× 1 0 - 5m3/s。实验得到了在不同质量流密度和热流密度下窄缝流道中的沸腾传热系数随干度变化的分布。通过与常规流道中的沸腾传热系数的比较 ,得到了在窄缝环形流道中沸腾传热系数比常规流道中的沸腾传热系数约高 1 5 %的结论。另外通过用高速摄像机对可视化的垂直环形流道中的流型进行的拍摄研究 ,分清了存在在窄缝环形流道中的四种流型     

起伏振动状态下倾斜管气液两相流型实验研究

在起伏振动状态下对倾斜管内气液两相流进行了实验研究。将振动装置与两相流实验回路相结合,改变管道倾角和振动频率、振幅,分析其对流型转变的影响。研究发现振动条件下的流型与稳态下相比有较大区别,通过对流型分类发现两种新流型为珠状流、起伏弹状流。绘制流型转换边界图结果表明,倾角的增加使起伏弹状流在流型图中的区域扩张,其他流型的区域相对减小。振动频率和振幅对流型转换边界的影响相似,振动频率和振幅增加会使珠状流和准弹状流区域有所增加。3种变化因素中振动频率对流型转变的影响最大。     

两流体模型在环形窄缝内的应用研究

采用EPRI最新开发的Chexal-Harrison相壁相间摩擦模型和简化的相壁相间传热模型,构造了适用于环形窄缝内沸腾传热和流动的两流体模型,并编制了热工水力计算程序——THYME程序.与实验数据比较,分析了环形窄缝套管在不同负荷下Relap5/Mod3.2程序和本文程序的计算结果.计算结果表明,Relap5/Mod3.2低估了环形蒸发管的蒸汽温度,本文计算结果与实验数据较为一致.     

Numerical study on effect of gap width of narrow rectangular channel on critical heat flux enhancement

According to the flow passage characteristic of narrow rectangular channel and liquid film dry-out mechanics of annular flow critical heat flux (CHF), an annular flow CHF analytical model for narrow rectangular channel has been achieved. This model may be used to predict the CHF behavior of boiling two-phase flow in narrow rectangular channel with gap width of not being less than 0.0005 m (the equivalent diameter of this channel is 0.001 m). Through analyzing and calculating, when the inlet dimensionless gap width of narrow rectangular channel is within 30-85, the enhancement of CHF in channel is obvious. At the same time, according to the characteristic of two-phase flow, the new determinant laws of CHF in boiling two-phase flow system have been derived. Through analyzing and calculating, it is substantial that this determinant laws is appropriate. The best dimensionless gap width of heat flux enhancement has been achieved to be 45-75.     

窄矩形通道内搅混流和环状流相界面参数的计算方法

空泡份额和界面浓度是两相流动中重要的相界面参数,准确获取窄矩形通道内搅混流和环状流工况下空泡份额和界面浓度是构建和完善两流体模型的关键。本文针对横截面为65 mm×2 mm的矩形通道开展了气液两相流动特性可视化实验研究,气相折算速度j_g＝1～9 m/s,液相折算速度j_f＝0.1～1.5 m/s,流型包含搅混流和环状流。提出了基于高速摄像法获取搅混流和环状流下空泡份额和界面浓度的分析计算方法,利用该方法所得空泡份额与窄矩形通道内经验关系式计算值的相对偏差约在10%以内。此计算方法可为研究复杂流型下窄矩形通道内的相界面参数提供理论依据。     

非线性振动下水平通道内气液两相流动研究

在地震等行为产生的非线性振动下,两相流体会影响回路传热并对装置结构进行冲击,因此对气液界面行为的把握对核安全具有十分重要的意义。本文通过将振动装置与两相流实验回路相结合的方法,对非线性振动下水平通道内气液两相流问题进行了实验研究。基于FLUENT平台,结合动网格模型及UDF编程手段建立了数学模型,并对数学模型进行验证。研究结果表明：模拟结果与实验结果具有很好的一致性;振动工况下气液两相流动形式不同于稳态工况,会出现更复杂的气液界面,主要流型有泡状流、弹状流、搅拌流、波状流及环状流;瞬时摩擦压降的波动幅度随振动幅度和频率的增大而增大,且与振动幅度相比,振动频率对其影响更大。     

含内热源有序饱和多孔介质通道内蒸汽-水两相流型可视化实验研究

采用均一球体形成多孔介质通道,通过高速摄像系统获得了多孔介质通道内两相流动影像数据,识别出多孔介质通道内蒸汽-水两相流动流型存在形式,并研究了部分参数对流型转变的影响规律。结果表明,多孔介质通道内的汽-液两相流型有泡状流、泡状-弹状混合流、弹状流、弹状-环状混合流以及环状流5种;随着入口过冷度的增加,泡状流向过渡流转变以及过渡流向环状流转变时所对应的汽相表观速度呈现出逐渐增大的趋势;随着压力的升高,泡状流向过渡流转变以及过渡流向环状流转变时所对应的汽相表观速度呈现出逐渐减小的趋势。      

空气-水在垂直非圆截面通道内流型研究

采用可视化方法研究了水力直径分别为15mm和10mm的两种正方形截面、14.43mm的三角形截面以及14mm的圆形截面通道内空气-水垂直上升流动,表观气速0.04～80m/s,表观水速0.001～6m/s.观察到了泡状流、弹状流、块状流、环状流和弥散泡状流等常见流型.此外,在表观气速很大而表观水速很小时,在非圆截面通道内发现了爬动流,证实了非圆截面直通道内存在"二次流"现象,且对气-液两相流动的相分布有较大影响,证明截面形状对两相流流型及其转变具有重要影响.由实验得到了流型转变界限,并首次获得了包括爬动流的两相流流型图.比较本文的实验结果及与前人的研究结果对比发现,水力直径的大小对两相流流型的转变具有一定影响.     

Type of flow, pressure drop, and critical heat flux of a two-phase sodium flow

Little is known about the two-phase pressure loss, the flow pattern, and the critical heat flux conditions for boiling sodium under forced convection. The specific thermohydraulic properties of sodium prohibit extrapolation to sodium of experimental data obtained for other liquids. Therefore, some new test series were carried out in a sodium loop with an induction heated test section of 9 mm inner diameter and 200 mm heated length. The two-phase pressure loss and the film thickness were measured up to the critical cooling conditions. The experimental results are compared with values predicted by known models on annular flow and annular mist flow, respectively. Satisfactory predictions of the flow pattern and the critical heat flux conditions could only be obtained using the measured two-phase pressure losses.     

Sodium boiling: one-dimensional two-liquid modeling using the SOKRAT-BN computer code

The results of testing the thermohydraulic module of the SOKRAT-BN computing code for analyzing accidents with boiling of sodium coolant in fast reactors are presented. The computational results are compared with experimental data. It is shown that the thermohydraulic module of the SOKRAT-BN code models stationary sodium boiling well. Using as a basis the results obtained by modeling sodium boiling in a vertical heated channel, a system of closure relations for calculating two-phase sodium flow regimes, including the interphase velocity, was modified and checked. Modeling sodium boiling in a vertical annular channel also showed that the closure relations incorporated in the thermohydraulic module of the SOKRAT-BN code are suitable for calculating heat-exchange with a wall.     

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。