低压加热通道内间歇式流动特性分析

实验研究低压加热通道内的间歇式流动行为特性,考察不同工况条件下间歇式流动现象的发生机制及规律,分析不同参数因素对间歇式流动过程的影响,找出其中的关键影响因素。实验结果表明,管路中发生间歇性的蒸汽喷涌现象,整个循环过程存在较长时间的沸腾延迟、流动参数周期性波动变化等典型特征;蒸汽喷涌和过冷液体回流会产生较大的温度和压力变化幅度。对间歇式流动过程影响较为显著的因素是加热功率和系统结构。间歇式流动周期随输入热量和管路长径比的增大而减小。     

竖直环隙流道内沸腾换热启动时的动态特性

对常压下竖直环隙流道内沸腾换热启动阶段壁温的瞬态变化特性和流动不稳定性进行了实验研究。结果表明环隙流道壁温变化经历跃升回落、各截面平均温度基本不变和快速和快速升三个阶段,存在强烈的流动不稳定性和壁温波动,并伴随着局部干湿交替现象。产生流动不稳定性的主要原因是流道中间歇生成长聚合汽泡,引起介质的突然加速、停滞或倒流。影响壁温波动的主要因素有环隙宽度、加热热流密度、初始水温、进出口附近大容积液体的过冷     

窄空间内两相流动不稳定性研究回顾

对两相流动不稳定性的研究开始于20世纪50年代，两相流动不稳定现象可能出现在与两相流动有关的动力和热传输系统上.微尺度流体力学对研究小尺寸通道内热量的传输起到了重要作用，当通道的水力直径很小时，必须考虑其特殊的热工水力过程。 本文首先对水力直径大于10mm的通道内发生的两相流动不稳定性作了简短回顾，根据现有的实验及理论模拟结果讨论了主要的不稳定性类型。 文中第二部分给出了对窄空间内流动不稳定性的调研结果。考虑了池式沸腾和流动沸腾两种情况，调研了现有文献中的试验及理论模拟结果。发现已有文献中对流动不稳定性的试验作了很广泛的研究，而理论研究却很有限。 本文最后部分解释了窄空间内的两相流动不稳定性，所遵循的理论基础是两相流动及毛细粘性力作用下气泡长大的特征时间刻度。     

竖直窄矩形通道内过冷沸腾传热模型

通过引入池式沸腾-流动沸腾汽泡脱离直径比对沸腾抑制因子S进行了修正,并将修正后的S引入Lee-Mudawwar过冷沸腾CHF模型,通过结合竖直窄矩形通道内的汽泡行为进行分析,建立了适应于竖直窄矩形通道的过冷流动沸腾传热模型,探讨了影响过冷沸腾传热系数的主要因素,并通过将模型预测值与实验值进行对比,验证了模型的可靠,表明当前模型可用于计算竖直窄矩形通道内的过冷沸腾传热特性。     

管束通道内沸腾两相流特性的研究

以R113为工质,采用高速动态分析仪对垂直管束通道内的沸腾两相流型及其转变特性进行了实验研究。对管束狭窄通道内沸腾两相流型进行划分,并与圆管内的两相流型进行比较,在此基础上对通道几何形状及物理参数对管束通道内沸腾两相流型及其转变特性的影响进行分析,为进一步对管束通道内流型判定、沸腾换热及阻力压降的研究奠定了基础。     

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。     

液态金属钠沸腾两相流动传热特性理论研究

在实验的基础上对液态金属钠沸腾两相流动传热特性进行理论研究。计算对象为环形流道。单相流动区域认为液态金属钠不可压缩;两相流动区域考虑钠蒸汽的可压缩性。两相流动区域选用均匀流模型,求解过程中采用迎风格式进行积分。将模型计算结果与相关实验数据进行对比,结果表明本文模型可用于计算液态金属钠沸腾两相流动传热特性,模型计算结果在一定程度上能完成对实验工作的拓展。     

球床通道内气液两相竖直向上流动流型实验研究

对球形颗粒填充通道内的空气-水竖直向上两相流动流型进行了可视化实验研究。实验段填充球直径分别为3、5和8mm,气相表观流速为0.005~1.172m/s;液相表观流速为0.004~0.093m/s。实验观察得到4种典型流型：泡状流、串状流、液柱脉冲流和乳沫脉冲流,并绘制出流型图,其中脉冲流占据较大区域。通过与常规通道流型图对比发现：由于填充颗粒的影响,球床通道泡状流区域较常规通道显著减小。对比3种球床通道流型图得到：随着颗粒直径的增加,串状流区域增大;在低液相流速下,对于8mm直径颗粒,串状流可直接过渡到乳沫脉冲流。     

竖直管内两相流逆向流动特性研究

实验发现在竖直管内两相流逆向流动过程中,由于气体的入口条件不同、淹没开始点可能出现在气相的入口处,也可能出现在出口处。由于出现的位置不同,淹没开始点所对应的气、水之间的关系式也不一样。这一实验结果对进一步研究淹没开始的机理有重要意义。根据两相流的流动特性,分析了出现这种现象的原因,提出应采用不同的关系式计算这 两种不同的淹没开始点。     

环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性实验研究

对环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性进行了实验研究。实验中质量流速G≤2 000kg·m-2·s-1,系统压力p≤0.1 MPa,热流密度q≤550kW·m-2。两相流动摩擦压降通过在相同质量流量的单相流动摩擦阻力系数的基础上引入两相摩擦倍增因子来考虑两相的影响。实验结果表明:环形通道内液态金属钠两相摩擦倍增因子随Martinelli参数的增大有减小趋势。综合本文实验数据、Lurie等的实验数据以及Kaiser等的棒束实验数据,拟合得到了计算液态金属钠沸腾两相流动摩擦倍增因子的关系式。计算了本文拟合得到的关系式与各组实验数据间的相对标准偏差(RSD),表明本文关系式适用于计算环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性。     

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.     

竖直矩形窄缝通道内过冷沸腾传热特性的实验研究

以去离子水为工质,在进口压力为0.1～0.3 MPa、质量流速为200～1400 kg·m^-2·s^-1、热流密度为20～320k W·m^-2的参数范围内,对截面参数为50mm×2mm的竖直矩形窄缝通道展开了传热实验研究。实验获得通道内部工质由单相状态到过冷沸腾状态的传热过程曲线,将过冷沸腾段实验值与8个经验公式提供的预测值进行了对比与分析,采用相似原理以及回归分析法,建立了适用于竖直矩形窄缝通道的过冷沸腾准则关系式。研究结果表明,在竖直矩形窄缝通道内,热流密度对过冷沸腾传热具有主导作用;对于本实验的窄缝通道,Bertsch传热公式对于过冷沸腾段的预测效果相较于其他公式更好,本研究所建立的准则关系式与实验数据符合良好。因此,本研究建立的公式能够用于竖直矩形窄缝通道过冷沸腾传热系数的预测。     

加热系统间歇泉流动机理与模型研究

在实验基础上对间歇泉流动的机理进行了分析：间歇泉流动是浮力与阻力间相互耦合的结果;系统热量的分布不均匀是发生间歇泉流动的重要前提;汽-液交界面的振荡引起了管路内流动参数的振荡,汽-液交界面的破裂最终决定了蒸汽的喷涌时刻。在机理分析的基础上,建立了间歇泉流动中系统热量传输模型,模型计算结果与实验结果较为符合。     

Density Wave Instability of Sodium Boiling Two-phase Flow in a Vertical Annulus at Low Pressure

Experiments of density wave instability in a sodium boiling two-phase flow in an annulus were carried out with the parameters of heat flux from 80 to 976kW/m², inlet subcooling from 25.6 to 226.8°C, mass flow rate from 7.92 to 68.9 kg/h, and system pressure from 2,600 Pa to 0.06 MPa. It was found that the density wave instability occurred in the case of low exit quality, and the oscillation of flow rate was so large that the flow would be reversal. The lower inlet temperature, the higher system pressure and the larger mass flow rate could result in a more stable boiling two-phase flow. The oscillation period of the instability increased with the system pressure and the inlet subcooling, but it decreased with the mass flow rate. A correlation for the onset condition of the density wave instability was obtained from the experimental data.     

竖直窄矩形通道内空气-水两相流中气弹运动速度研究

以空气和水为工质,应用高速摄像仪,对竖直窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内气液两相弹状流进行了可视化实验研究。气、液相表观速度分别为0.1~2.51 m/s和0.16~2.62 m/s,工作压力为常压。实验中发现窄矩形通道内弹状流与圆管中存在较大差别,气弹多发生变形,高液相流速时变形更为严重。窄边液膜含气量较高,在高液相流速时窄边液膜不下落,宽边液膜中含有由气弹头部进入和气弹尾部进入的气泡。气弹速度受气弹头部形状和宽度影响较大,受气弹长度影响较小。气弹速度可由Ishii & Jones-Zuber模型计算,但在低液相折算速度时偏差较大,其主要原因为漂移速度计算值较实验值偏小。     

窄通道流动沸腾换热特性实验研究

以40 mm×2 mm窄矩形通道中流动沸腾换热实验数据为基础,分析影响充分发展沸腾起始（FDB）点位置及换热系数的主要因素,并将实验值和计算值进行对比。FDB点实验值与Bowring模型和Saha-Zuber模型的计算值符合良好,相对误差在20%以内。将实验得到的窄矩形通道换热系数与Chen公式、Gungor-Winterton关系式和Sun Licheng关系式的计算值进行比较,结果表明：应用在常规通道的Chen关系式已不再适用于窄矩形通道传热系数的计算,而考虑窄通道尺寸效应并认为热流密度在饱和沸腾中起主要作用的Sun Licheng关系式与实验值较接近,相对误差在30%以内。     

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。     

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。