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...     

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。     

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。     

高过冷度下直管内气液两相传热特性

基于双流体模型,建立了适合高压高过冷工况的过冷沸腾模型,考察了液体过冷度和壁面热通量对垂直圆管内气液两相传热特性的影响。结果表明,高过冷度下整个截面上气相分布十分不均匀,壁面附近气泡比较密集。随着入口过冷度的减小,气相体积分数增加,促进了沸腾传热的发展。随着壁面热通量的增加,表面传热系数沿流体流动方向总体上呈增大趋势,局部区域内出现下降,并且传热系数的下降趋势随入口过冷度的减小逐渐变得不明显。     

过冷流动沸腾中气泡浮升直径的实验及理论研究

研究气泡浮升直径对揭示过冷流动沸腾的传热机理至关重要。为探究流动工况对气泡浮升直径的影响机制,针对发动机缸盖沸腾区域的冷却通道设计了一个水动力相似的矩形实验通道,搭建了过冷流动沸腾可视化实验循环系统。基于该可视化实验系统,研究了系统压力、壁面过热度、流速以及液体过冷度对气泡浮升直径的影响,发现气泡浮升直径随着系统压力、流速以及过冷度的增大而变小,随着壁面过热度的增大而增大。建立了气泡在浮升时刻的力平衡模型,该力平衡模型的预测值与实验值的平均相对误差为12.25%。为了便于工程应用,基于气泡浮升直径的力平衡模型,建立了气泡浮升直径的经验模型,该经验模型的预测值与实验值的平均相对误差为6.80%。     

附加惯性力作用下竖直矩形流道内过冷流动沸腾的数值模拟

摇摆条件下附加惯性力的作用会对两相流动的压降及汽泡受力产生影响。考虑相变能量和质量输运,采用流体体积(VOF)多相流模型对附加惯性力条件下竖直矩形流道内过冷流动沸腾进行了数值模拟。汽液界面位置通过分段线性插值(PLIC)的方法获得。模拟结果获得了孤立汽泡周围压力、速度、温度分布以及二次流动现象,分析了汽泡聚合过程汽泡形态及内部速度矢量的演变过程,模拟结果与文献中结论吻合良好。附加惯性力作用使得流动压降比静止条件下要大,过冷流动沸腾压降由于汽相产生会在单相流动的基础上产生波动,且热通量越大,压降波动幅度越大。摇摆产生的附加惯性力相对汽泡所受的其他力而言可以忽略不计,而摇摆导致的流量波动会改变汽泡受力大小,进而影响沸腾换热。     

垂直圆管内液氮流动沸腾的理论模型及数值模拟

分析了液氮流动沸腾过程中气液两相间动量、能量以及质量的传输规律,建立了相应的理论模型,新模型重点修正了界面面积浓度和气泡挣脱直径的计算式;采用新建立的理论模型作为封闭方程对CFX-4.3中内建的双流体模型进行了修正,并采用修正后的双流体模型模拟了液氮在垂直圆管内的流动沸腾过程.数值模拟的结果与文献中的实验数据吻合较好,证明了本文所建模型的合理性.通过数值模拟发现,两相流参数分布的不均匀性对液氮流动沸腾过程中的热质传输特性有重要影响.     

基于MUSIG模型的低温流体过冷沸腾数值模拟

在低温泡状流中,鉴于液相中离散的气泡尺寸大小不一,文中将MUSIG模型应用于低温流体过冷沸腾计算中。通过模拟液氮在竖直圆管内过冷流动沸腾过程,对各尺寸组气泡的分布、轴向空泡份额的分布规律及流动不稳定性进行了分析。计算结果表明:各尺寸组气泡在壁面和中心区呈现不同的分布规律;平均空泡份额沿轴向呈非线性递增变化;由于流型的转变,管内压降将出现突变。     

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.     

变截面翅片通道内过冷沸腾可视化试验

以水为介质,对三角多孔翅片（TP）和横排锯齿翅片（TDS）两种变截面翅片通道的过冷沸腾进行了可视化试验。研究了体积流量、过冷度与热通量对过冷沸腾起始位置的影响,通过观察变截面翅片流道内单个气泡形成、生长与合并或脱离的过程,对比分析两种变截面翅片对流沸腾传热强化机理。试验结果表明：TDS翅片通道内气泡从出现到消失的平均周期约为TP翅片的一半;过冷沸腾起始位置随着体积流量的增大,逐渐向流道出口处移动;而随着热通量的增大和过冷度的减小逐渐靠近流道入口处;过冷度对过冷沸腾起始位置的影响比热通量对其的影响更大。     

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。     

竖直窄流道内过冷流动沸腾的单汽泡生长模型

The process of bubble growth on heating wall in subcooled boiling includes the micro-layer evaporation on heating wall and the bubble top coagulation when the bubbles grow to a certain size and emerge into the subcooled mainstream fluid. Based on this consideration, a model for the single bubble growth of subcooled flow boiling in vertical narrow rectangular channel was proposed.Compared with experimental results, the error of the simulation results using the proposed model is less than ±25%. The simulation results indicated that as the wall superheat increases, the bubble growth gets faster, with the subcooled degree of mainstream increases, the bubble growth in later stage would be slowed, with the contact angle increases, the contact radius of the bubble bottom and the wall tension would be strengthened, resulting in faster bubble growth to make the bubble to be flat and more easily exposed to the mainstream. The velocity of mainstream has no significant effects on bubble growth rate.     

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。