过冷流动沸腾中汽泡脱离直径的理论研究

汽泡脱离直径模型是壁面沸腾计算中的一个重要子模型。为了正确预测过冷流动沸腾中的壁面传热情况,研究结合新改进的汽泡生长模型,采用力平衡方法对过冷流动沸腾中的汽泡脱离直径进行了模拟。汽泡生长模型同时考虑了微液层、过热层和汽泡顶部过冷液体层对汽泡生长所做的贡献,并采用饱和沸腾与过冷沸腾2个实验对其进行了验证,结果表明预测曲线与实验值吻合良好。另外,选取了3个过冷流动沸腾实验来验证汽泡脱离直径模型,模拟结果均在可接受的误差范围内。     

流动沸腾汽泡脱离频率预测模型分析

汽泡脱离频率从时间上反映汽泡的循环周期,该值直接影响汽泡蒸发带走的热量。为提高流动沸腾下换热计算的准确度,本文利用13组流动沸腾独立实验对脱离频率的影响因素进行了分析,并对5个现有预测模型的准确度进行了对比评价。研究发现,脱离频率与管道尺寸呈正相关,而大多数预测模型因忽略这一因素的影响准确度较低,基于此,本文通过无量纲分析得到一套新预测模型,为将来在更大管道尺寸范围内进行流动沸腾换热计算奠定了基础。     

流动沸腾条件下窄通道内的汽泡生长和冷凝

针对过冷沸腾条件下窄通道内的汽泡生长和冷凝进行实验研究。实验中观察到了两类汽泡的生长和冷凝,分别称为第1类汽泡和第2类汽泡。其中第1类汽泡生长速度较快,且在滑移离开核化点之后迅速冷凝消失。而第2类汽泡的生长速度较慢,且滑移很长一段距离后也不会冷凝消失,具有更长的存活时间。两类汽泡的生长可采用不同的关系式进行预测,且生长冷凝特性均表现出很强的随机性,体现出汽泡周围环境的微小变化对汽泡行为的影响。     

圆管内偏离泡核沸腾机理模型的比较分析

分析比较了基于壁面汽泡壅塞模型和汽泡下液膜烧干两种机理的圆管内偏离泡核沸腾机理的5个模型，并与偏离泡核沸腾（DNB）实验数据进行了比较分析，得出了各种模型的优缺点。     

过冷沸腾水中单汽泡成长的数值模拟

采用流体动力学程序ANSYS FLUENT中的流体体积法(VOF)计算二维条件下静止的过冷沸腾水中单汽泡的成长过程。相变过程可以通过在靠近汽-液交界面的网格的纳维斯托克斯方程中添加额外的质量源项和能量源项模拟,表面张力、汽泡与壁面之间的接触角以及汽泡底部液体层的蒸发也被考虑进来。将计算结果与实验结果对照进行验证,计算结果与实验结果符合较好;数值分析可得到一些实验中难以直接测量的物理参数,如温度场与速度场。     

Rayleigh-Taylor不稳定性的MPS数值模拟

移动粒子半隐式法(MPS法)是一种适用于不可压缩流体流动计算的无网格粒子法,它采用完全的拉格朗日描述定义流体的运动,将流体离散为可移动的粒子,流体控制微分方程转化为粒子间的相互作用。本文采用MPS法对Rayleigh-Taylor不稳定性进行了二维数值模拟。结果表明,在不稳定性发展的前期阶段,当扰动振幅远远小于扰动波长时,流体界面的小扰动具有指数增长形式,与经典的线性理论分析结果一致。非线性发展阶段,所得到的气泡和尖钉的部分特征与实验结果相吻合。     

基于MPS方法的液态铅铋合金内气泡上升流数值模拟

移动粒子半隐式(MPS)方法捕捉多相流体动力学相界面的能力比传统网格方法具有明显优势.本研究采用MPS方法,使用FORTRAN语言自编程序,对单个氩气气泡在液态铅铋合金内从静止到充分发展整个过程中的瞬态动力学行为进行二维数值模拟,得到气泡变形特性与上升速度的关系.结果表明:在气泡上升过程中,气泡由球形先变成酒窝形状,最...     

液态金属内单个气泡上升行为的MPS法数值模拟

液态金属冷却核反应堆采用气泡泵的概念设计来提升堆芯自然循环能力。液态金属内气液两相流动特征将直接影响核反应系统一回路的自然循环能力及堆芯安全。本研究通过采用移动粒子半隐式（MPS）方法,对液态金属中单个上升气泡的气泡动力学行为进行数值模拟。分析了铅铋合金中3种初始直径不同的单个氮气泡在上升过程中的气泡形状和速度的变化趋势;对比了初始直径相同的单个氮气泡在液钾、液钠、铅铋合金、钾钠合金和锂铅合金5种液态金属中的上升行为;同时将模拟得到的气泡形状与Grace经验关系图进行了对比,验证了MPS方法数值模拟结果的正确性。     

窄流道内过冷流动沸腾汽泡凝结过程的数值模拟研究

建立过冷流动沸腾汽泡凝结质量及能量传递模型,采用流体体积法(VOF)多相流模型,对汽泡凝结过程进行数值模拟.模拟结果与相应条件下的实验结果吻合较好,误差在士20％之内,能够反映真实参数变化过程.根据模拟结果分析汽泡初始尺寸、过冷度和系统压力等因素对汽泡凝结行为的影响.结果表明:汽泡凝结时间与汽泡初始尺寸成正比;随着过冷...     

流动沸腾汽泡脱离直径尺寸分布研究

沸腾是一个复杂的换热过程,大量实验表明,不同核化点的脱离直径存在区别,即使在同一工况下,同一核化点产生的汽泡脱离直径也会大小不一,因此汽泡尺寸分布不可忽略。尽管目前已有较多用于汽泡平均尺寸的计算关系式,但对于尺寸分布的研究仍较少。因此,本文针对流动沸腾下汽泡脱离直径的尺寸分布进行研究,对比常用的伽马函数和正态分布函数描述这一分布时的准确度,确定概率函数后,再对概率密度函数中两个重要的参数均值和标准差进行分析,最后得到一套预测不同工况下汽泡尺寸分布的关系式,该关系式准确度较高,并考虑了壁面过热度、质量流速等因素的影响。     

基于微液层模型的单汽泡生长数值模拟研究

核态沸腾换热在传热传质方面有着重要的作用,其发生机理和传热传质过程仍是研究的重点。随着实验手段的提高,微液层模型得到了广泛的关注。通过对微液层中传热传质的分析,建立了微液层厚度与热流密度和气化率之间的关系。利用界面扩散法对汽液相界面进行追踪,并在汽泡与加热壁面之间构建微液层模型,研究在核态沸腾条件下,微液层的变化对汽泡生长和加热壁面温度分布的影响。结果表明,数值模拟得到的汽泡生长过程和加热壁面温度分布与实验结果吻合得很好,初步验证了模型的正确性。并通过数值模拟,进一步分析了汽泡生长过程中微液层、干性区域和汽泡底部半径的变化规律以及壁面温度的分布情况。     

采用多边形壁面的MPS粒子分裂算法研究

反应堆严重事故模拟中涉及大量含有自由界面或组分界面的多相流动,不具有拓扑结构的粒子法在这类流动的模拟中有其独特的优势。本文在移动粒子半隐式（MPS）法的基础上开发了适用于多边形壁面的粒子分裂模型。针对多粒径模拟及多边形壁面的特殊性,对粒子有效半径、数密度、梯度算子模型、拉普拉斯算子模型和表面粒子识别模型等进行改进,并对分裂过程进行简要阐述。将改进后的MPS法运用于无挡板及有挡板的溃坝实验模拟计算。计算结果表明,采用多边形壁面的粒子分裂模型对复杂自由液面捕捉清晰,且计算时间仅为传统MPS法的18.75%,但监测点的压力波动较大。改进后的模型在保证准确性和精度的同时提高了计算效率,为进一步计算三维相变传热奠定基础。     

基于MPS方法模拟液态铅铋合金中弹状气泡上升

基于移动粒子半隐式(MPS)方法对液态铅铋合金中单个弹状气泡的垂直上升行为进行数值模拟,得到弹状气泡上升过程的形态变化、气泡最终上升速度拟合直线及下降液膜厚度与下降液膜中的轴向速度分布。将部分数值模拟结果与文献中的实验结果进行比较,揭示了弹状气泡最终上升速度、下降液膜厚度及其中轴向速度分布所满足的规律。比较结果证明了所选取计算模拟模型的正确性与合理性,以及MPS-MAFL方法用于模拟弹状气泡上升行为的准确性与可靠性。     

基于MPS方法的离散固体与流体相互作用数值模拟研究

与网格法相比,移动粒子半隐式(MPS)方法不存在网格畸变问题,因此得到了较为广泛的应用。为了将MPS方法应用于核反应堆堆芯熔化严重事故中熔融物夹带离散固体的迁徙行为模拟,需要对其建立流固耦合模型。本研究通过将离散单元法（DEM）引入到基于MPS方法的核反应堆关键热工安全现象分析软件平台（PANDA）中,发展了PANDA-DEM模块,建立了适用于存在离散固体相互作用的流固耦合问题的分析模型。使用本文建立的模型对固体滑坡和一个水下滑坡问题进行了模拟,两个算例的数值计算结果与实验结果均吻合较好,证明了该模型的稳定性与准确性。因此,本文建立的模型能够用于分析包含大量离散固体的流固耦合问题。     

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明,汽泡在核化点生长时,汽泡底部与加热面存在一小的接触面,总体而言,汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下,不同核化点处汽泡生长规律基本相同,但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小,脱离时间较长,可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内,统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加,汽泡平均脱离直径减小;随入口欠热度的增加,汽泡平均脱离直径减小;随主流速度的增加,汽泡平均脱离直径减小。     

生长和浮升过程中气泡形状振荡特性研究

气泡形状变化对两相流动和热质传递过程有着重要影响。本文利用高速摄像仪和粒子图像测速（PIV）技术对生长和浮升过程中气泡的形状振荡特性进行了实验研究,分析了不同注气流量下气泡形状及其周围流场的变化规律。实验结果表明,气流量对脱离后气泡的形状有着明显影响,在低流量下,脱离气泡逐渐由长椭球形转变为扁椭球形,而在高流量下,脱离气泡与生长气泡的聚合将导致气液界面大幅振荡。此外,振荡气泡对其尾流区内生长气泡形状的影响同样不容忽视,其会引起生长气泡所受惯性作用增强,进而导致气泡形状波动。     

基于LB方法的管内流动沸腾传热模拟

为研究竖直管内流动沸腾的传热情况及气泡行为学,采用格子玻尔兹曼（LB）方法,利用改进后的伪势模型和热模型分别模拟流动和传热过程。为验证模型的合理性,对模拟结果与经验关系式进行了定量对比。之后对气泡行为对沸腾传热系数的影响进行了研究,结果表明,随着气泡的核化、生长、滑移和脱离,传热系数呈现周期性波动。最后考察了重力加速度对气泡行为和沸腾传热的影响,重力越大,气泡生长周期越短,沸腾传热系数越大。