瞬变运动条件对竖直管内搅混流向环状流转变边界的影响研究

船舶在航行过程中处于海洋瞬变运动环境,两相流动常处于瞬变运动状态,两相流型可能与陆基条件时不同,进而影响流动传热特性,准确判别瞬变运动条件下两相流型对两相阻力和传热的计算具有重要意义。本文针对摇摆和升潜两种典型海洋运动条件,引入运动产生的瞬变外力场,构建了瞬变运动条件下搅混流-环状流转变准则,该准则也可适用于竖直向上和倾斜流动。通过静止和瞬变运动条件下实验数据对转变准则模型计算结果进行了验证,与实验结果符合很好。通过对转变准则进行分析,绘制了搅混流-环状流转变曲线,获得了运动参数对流型转变边界的影响规律。

摇摆条件下自然循环驱动力和阻力特性研究

本文以典型自然循环回路为对象,建立了摇摆条件下自然循环工况驱动力和阻力模型,与实验数据对比符合很好。利用模型分析发现,摇摆条件下自然循环驱动力和系统流量周期性波动,随着摇摆幅度增大和周期缩短,驱动力和流量的波动幅度增大。驱动力为重位驱动力、向心驱动力及切向驱动力之和,现有工况范围内,向心驱动力可忽略不计,总驱动力受重位驱动力和切向驱动力的耦合作用影响。摇摆条件下自然循环系统两相流动总压降及各分压降周期性波动,系统位差及通道内平均密度的变化引起了两相重位压降、加速压降、摩擦压降发生周期性波动。

摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径模型构建及分析

在静止条件下汽泡脱离直径预测模型的基础上,引入摇摆条件引起的瞬变外力场,构建了摇摆条件下汽泡脱离直径预测模型,通过实验数据进行验证,结果符合较好。通过受力分析发现,摇摆运动引起的浮力波动必须予以考虑。模型计算发现:角位移θ=0°时,汽泡脱离直径最小;而质量流速越大,这种趋势越不明显。如果系统存在5%以上的流量波动,则其对汽泡脱离直径的影响必须加以考虑。

摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径实验研究

以去离子水为工质,可视化研究了矩形窄缝通道内不同质量流速下摇摆运动对汽泡脱离直径的影响。研究结果表明,由于摇摆运动引起的局部流场波动,汽泡生长过程变得不稳定,且汽泡脱离直径在一定范围内波动,这种效应会随质量流速的增大而减弱。线性拟合发现,摇摆角位移为0°时,汽泡脱离直径有最小的趋势。

摇摆运动对弹状流向搅拌流转变边界的影响研究

流型的精确识别对于改进两相压降的计算精度有重要意义。本文利用静止时实验数据对现有弹状流向搅拌流的转变准则进行了验证评价。在此基础上选择符合最好的转变准则,引入摇摆运动产生的瞬变外力场,构建了摇摆条件下弹状流搅拌流转变准则,利用摇摆条件下的实验数据进行了验证。对转变准则进行分析,结果表明,在现有工况范围内,随摇摆振幅的增大,弹状流向搅拌流转变略有提前,而摇摆周期对流型转变的影响可忽略。

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。

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。

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。

竖直圆管内低压过冷沸腾相分布特性实验研究

实验采用双探头光学探针对内径24mm竖直圆管内低压过冷沸腾局部空泡份额、界面面积浓度及汽泡尺寸等局部相界面参数径向分布特性进行了研究。实验结果表明:竖直圆管内过冷沸腾相分布形态呈现轴对称特性,随着热流密度的增大,相分布形态出现近壁峰值并逐渐向中间峰值分布形态的发展,较高热流密度工况下出现轴心峰值分布;随着质量流速的增加,局部空泡份额减小,并出现中间峰值向近壁峰值分布形态的转变;随着压力的增大,局部相界面参数减小。

矩形窄缝通道内滑移汽泡生长及界面形态可视化研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面观察窄缝通道中孤立汽泡区域内滑移汽泡生长以及滑移过程中汽泡界面形态的变化规律。研究结果表明,在拍摄窗口内滑移汽泡生长速率较小,小汽泡的生长速率略高于大汽泡的生长速率。从宽面观察,滑移汽泡呈近似球状;从窄面观察,平行于加热面方向的轴长略小于垂直于加热面方向上的轴长。总体来说,在本实验工况下,汽泡在滑动的过程中其前后接触角变化不大。

摇摆对过冷沸腾相分布特性的影响机理分析

采用双探头光学探针测量了摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡份额、界面面积浓度及汽泡尺寸等局部相界面参数径向分布特性,根据实验及计算结果,从汽液相界面作用力角度对摇摆运动条件下过冷沸腾相分布机理进行了分析。结果表明:摇摆条件下,浮力径向分量、升力、湍流分散力和壁面润滑力量级约为103 N/m3,附加惯性力与其余诸力相比小2~3个量级。因此摇摆条件下过冷沸腾相分布特性主要取决于周期性波动的升力、湍流分散力、壁面润滑力及浮力径向分量之间的平衡关系。

矩形窄缝通道内再淹没过程骤冷温度研究

反应堆失水事故后,堆芯再淹没过程是维持燃料元件完整性以及缓解事故严重程度的重要手段之一。骤冷温度是再淹没过程关键参数,对了解再淹没过程先驱冷却与骤冷过程有着重要意义。本文基于双面加热的矩形窄缝通道试验装置,研究了矩形窄缝通道内再淹没过程,探究了初始壁面温度、加热功率、冷却剂流速、冷却剂过冷度、压力等对骤冷温度的影响,并通过量纲分析手段,提出了矩形窄缝通道内骤冷温度预测模型。结果表明,骤冷温度随初始壁面温度、加热功率、压力的升高而升高,与冷却剂流速与入口过冷度相关性较小,提出的骤冷温度预测模型预测效果良好。

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。

摇摆条件下弥散泡状流-泡状流转变准则模型验证

引入摇摆运动所引起的瞬变附加力,构建了摇摆条件下弥散泡状流-泡状流转变准则,与静止和摇摆条件下流型转变实验数据进行了对比,符合较好。通过对转变准则模型分析发现,随着摇摆振幅的增大,形成弥散泡状流需要的液相表观速度增大;而随摇摆周期减小,形成弥散泡状流需要的液相表观速度减小,当周期减小到一定程度时,转变曲线将和静止条件下基本一致。

摇摆条件下圆管通道内气-液两相压降特性研究

开展了摇摆条件下圆管通道内气-液两相压降特性实验研究,获得了摇摆条件下实验段内瞬时及时均压降。构建了摇摆条件下两相压降计算模型构建,与实验结果对比符合很好。根据实验数据和模型计算结果分析摇摆条件对两相压降特性的影响规律,发现摇摆条件下通道内瞬时总压降呈现周期性波动,但其时均值和静止时相比偏差不大。进一步分析发现,摇摆条件下摩擦压降基本不变,摇摆运动引入的附加压降可忽略不计,而摇摆条件下重位压降的周期性波动是总压降出现周期性波动的原因。

自然循环条件下蒸汽发生器U型传热管倒流分布特性的实验研究

在自然循环工况下蒸汽发生器一次侧入口流量为0.4~0.7 kg/s的参数范围内,开展了蒸汽发生器U型传热管倒流特性实验。针对9种不同长度的U型传热管,分别设置9个倒流监测点,获得了倒流在不同长度U型管中的分布特性。基于传热管压降实测数据和守恒原理,获得了蒸汽发生器一次侧的倒流总流量以及倒流U型管的数目。结果表明,在本实验参数范围内,约有61%的U型管发生倒流,使传热管正向流通面积减小为原来的39%。倒流同时导致正流流量增加60%,与不发生倒流的情况相比,U型管平均流速增大4.2倍。

窄缝通道内汽泡界面参数对脱离直径预测的影响

通过汽泡受力分析,构建窄缝通道内汽泡脱离直径预测模型。基于可视化实验获得的汽泡轴心倾斜角、前后接触角以及底部接触直径等数据,评价分析汽泡界面参数对脱离直径预测的影响,进而确定适用于本实验工况下窄缝通道内汽泡受力模型求解的界面输入参数,获得了窄缝通道汽泡脱离直径的预测值。利用竖直和倾斜条件下可视化实验获得的58个数据对汽泡脱离直径预测模型进行了验证,预测值和实验值符合较好。基于验证的汽泡脱离直径模型评估了各个力的地位和作用,应用分析了热工参数对汽泡脱离直径的影响。

基于热阻网络法的热管导热性能分析

为了获得热管温度、传输功率等导热特性,基于热阻等效理论建立了考虑蒸汽腔区域传热的二维热管热阻网络模型,获得了热管瞬态及稳态传热性能,并与文献及本文实验数据进行了对比验证,其绝热段平均温度最大相对误差为7.6%。研究结果表明,模型对文献钠工质热管及本文水工质热管实验数据具有较高的计算精度;热管轴向各段温度均匀性较好,吸液芯径向热阻是热管导热热阻的主要影响因素;热管工作温度与传输功率随冷源参数变化趋势相反,热管传输热量是一个自适应的动态调节过程。因此,热阻网络模型可以作为实验分析和热管设计的工具,同时还可以进一步扩大工况研究范围,获得边界条件对热管传热过程的影响规律,进一步为多应用场景下热管设计提供参考。

反应堆稳压器喷嘴的设计研究方法与进展

稳压器喷嘴的性能对于反应堆冷却剂系统压力控制至关重要。综述了反应堆稳压器喷嘴的设计研究方法与进展,介绍了稳压器旋流式喷嘴的设计理论、设计与校核方法、雾化液滴尺寸与分布评估和计算流体力学(CFD)在喷嘴设计研究中的应用,重点关注适用于喷嘴仿真计算的两相界面追踪模型。可见,目前稳压器旋流喷嘴的设计过程依然以便捷的传统经验与半经验方式为主,CFD计算为辅,但CFD计算已经显现出计算结果与实验更加相符的优势。为小压差大流量旋流式稳压器喷嘴的设计计算提供手段,也为发展和改进稳压器喷嘴的性能提供借鉴。