汽泡边界层模型在矩形管道下的适用性分析

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。汽泡边界层模型是预测流动沸腾的一种新理论模型,它将流场沿径向划分为主流和汽泡边界层两个区域,能同时获得两个区域多个两相参数的变化规律,为空泡份额的预测提供了一种新的方法。然而,过冷沸腾段汽泡边界层模型目前仅在常规圆管中开展了验证,当管道类型和尺寸发生变化后,模型的准确度还有待进一步分析。基于此,本文将汽泡边界层模型进一步推广到长宽比较大的矩形管道中。为验证模型的准确性,将模型获得的空泡份额与现有实验数据进行对比,并同时与现有空泡份额预测模型进行了对比。结果显示,汽泡边界层模型不仅较现有模型的准确度更高,还能同时应用于矩形常规管道和窄缝通道,受管道结构和尺寸的影响较小。模型还描述了矩形窄缝通道内空泡份额、压力、流速、温度、滑速比等的变化情况,这些结果能为反应堆矩形燃料元件内的热工物理耦合分析提供基础数据。

水泵变频调节及旁路调节对系统流量的影响

在一体化小型动力堆中,采用1台离心式水泵同时向多个分系统提供流量和扬程使得反应堆系统简化,装置尺寸减小,结构更加紧凑。系统管路阻力特性随各分系统工况的调节发生变化,从而会对水泵的运行特性及各系统的流量分配产生重要影响。本文通过实例对分系统阻力特性变化对水泵变流量运行,以及各分系统流量的影响进行了计算和分析,并采用旁路阻力调节、水泵变频控制的方法调节水泵工作点,从而保证各分系统获得正常工作所必需的流量和扬程。计算和分析表明,相比于旁路阻力调节,通过水泵变频调速的方式对系统流量进行调节轴功率降低30%,且可靠性更高,更易操作,同时降低了系统的复杂性。

冷却条件下管内超临界压力CO2对流换热研究

本文用数值计算和实验测量结合的实验方法对冷却条件下超临界压力二氧化碳在细圆管内(D_(in)=2 mm)的局部对流换热进行了实验研究。结果表明,冷却条件下超临界二氧化碳局部对流换热系数在流体温度略高于准临界温度时达到峰值.本文还对该过程进行了数值模拟,比较了不同湍流模型的计算结果,根据数值模拟提供的信息分析了影响冷却条件下超临界压力二氧化碳换热的主要因素和物性变化对换热的影响。

超临界CO2在垂直圆管内对流换热实验研究

本文对超临界压力CO2在垂直圆管(Din=2 mm)内在高进口雷诺数和低进口雷诺数条件下的对流换热进行了实验研究,以研究变物性、浮升力和热加速对流动和换热的影响.实验结果发现,在低进口雷诺数情况下,向上流动中管子入口处出现了局部壁面温度下降,而在向下流动中未观察到此类现象;在高进口雷诺数情况下,向上流动中壁面温度发生了异常分布,这主要是因为向上流动中浮升力使得湍流发生了层流化现象,而在向下流动中未观察到此类现象.

流体在微细多孔介质中的流动阻力研究

本文对空气和水流过烧结微细多孔介质内部的流动阻力进行了实验研究和数值模拟,分析不同颗粒直径条件下摩擦因子与等效雷诺数的关系。结果表明:对于水,实验及数值模拟得到的摩擦因子与经验公式符合很好。对于空气,当颗粒直径为200μm和125μm时,由于可压缩性的影响,摩擦因子略大于经验公式结果。当颗粒直径为90μm和40μm时,实验及考虑速度滑移得到的摩擦因子小于经验公式结果。因此,当颗粒平均直径小于90μm时,空气在微细多孔介质中的流动需要考虑稀薄气体效应。

控制棒水压驱动系统水压缸降压过程理论分析

控制棒水压驱动技术是清华大学核能与新能源技术研究院具有自主知识产权的一项新型发明专利技术。水压缸属于该项技术的关键部件,而水压缸降压过程直接影响水压缸的复位,水压缸的性能直接影响控制棒水压驱动技术的运行性能。本文建立了水压缸降压理论模型,对该过程进行了分析;根据实验运行工况,计算得出了水压缸运行性能,并利用实验数据验证了计算结果。计算结果表明:在降压过程中,内套位移减小,速度逐步减小,直到停止运动;由于缸内压力减小,缸内和缸外的压差减小,密封环泄漏流速减小。缸内压力模型能提供所需的物理量,为水压缸和驱动机构运动机理分析提供了理论基础。

以CO_2为工质的热泵系统与中深层地热采暖技术

在我国北方城镇地区,采暖能耗在建筑能耗中占比最大,使得每到秋冬季节北方地区就深陷"霾伏"。提高用能效率和利用可再生能源是节能减排的两条途径。以CO2为工质的热泵系统是一种以自然工质为制冷剂的节能设备。本课题组从理论和实验两个角度对综合利用太阳能、空气能和地热能的CO2热泵在制冷、采暖以及制取热水方面的性能进行了研究。结果显示在制冷以及采暖应用方面,虽然CO2热泵的制冷系数和制热系数难以与传统制冷剂竞争,但是CO2热泵系统可以在更低的温度下工作,此外,如果采取将采暖和提供热水结合起来的分段供热和梯级用能设计,可有效提高CO2热泵系统的用能效率;CO2热泵在制取热水方面具有独一无二的优势,既可获得较传统制冷剂更高的热泵系数,还可制取传统热泵热水器难以企及的高温热水,并且在更低的温度下也可以正常工作。本文对中深层干热型采暖技术进行了初步的数值模拟和理论分析,认为在注入、产出井保温设计良好,地上供热体系管理完善的情况下,该技术具有一定的经济性。为了解决跨临界CO2/R134a热泵系统气体冷却器的设计和开发,我们对含油和不含油的超临界压力CO2/R134a在被冷却条件下在管内的流动和换热情况进行了多年系统的研究,本文简单介绍了研究结果并给出了摩擦压降和换热计算准则关联式。

水压缸密封性能实验研究

控制棒水压驱动技术是清华大学核能与新能源技术研究院拥有自主知识产权的一项新型发明专利技术。作为该系统的核心部件,水压缸密封特性会直接影响整套系统的运行性能。通过搭建密封测试实验装置,获得了常温下水压缸的启动压力和不同内外压差下的泄漏量等反映密封性能的数据。实验结果表明,采用3个密封环的水压缸的密封性能完全达到控制棒水压驱动技术的要求;水压缸的泄漏量在恒定的内外压差下总体保持稳定,并随水压缸的内外压差基本呈线性关系。实验结果为水压缸运动模型的建立提供了实验依据,为控制棒水压驱动技术的进一步设计和优化提供了基础。

气泡曳力系数模型分区研究

由曳力系数表征的曳力模型作为重要的相间力模型之一,被广泛应用于Euler-Euler方法和Euler-Lagrange方法下的连续相和离散相动量方程中。由于现有气泡曳力系数模型形式各异且适用范围有限,因此需要对已有模型进行充分地评价。考虑到已有曳力系数模型的适用范围和气泡变形的影响,参考各曳力系数模型采用的相关参数,建议基于Reynolds数Re和Weber数We分区选择最佳模型。将分区曳力系数模型、已有曳力模型与实验数据对比,发现分区曳力系数模型总体预测结果更符合实验测量值。将分区曳力系数模型应用至数值模拟中,可以更精确地追踪不同尺寸气泡的位置,使数值模拟结果更接近真实的物理情况。

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。

汽泡活化核心密度预测模型分析

为提高活化核心密度预测以及沸腾换热计算的准确度,本文对活化核心密度在流动沸腾下呈现的随机性进行研究,发现该参数在流动沸腾下呈对数正态分布。通过实验数据,利用压力、接触角、壁面过热度等参数对活化核心密度的影响进行对比分析,根据池沸腾和流动沸腾对现有预测模型的准确度进行对比评价。研究表明:活化核心密度主要受压力、壁面过热度和接触角的影响,液体过冷度和雷诺数的影响基本可以忽略,对于池沸腾,Li模型预测准确度最高,对于流动沸腾,受活化核心密度随机分布的影响,现有模型应用在流动沸腾下误差均较大。

基于气泡动力学的过冷流动沸腾边界层模型研究

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。过冷流动沸腾起始于ONB点,结束于Tsat点,中间被OSV点划分为高过冷流动沸腾段和低过冷流动沸腾段,不同阶段流场情况以及气泡行为存在较大区别。目前关于过冷流动沸腾过程的研究主要基于宏观实验、理论研究和数值模拟,随着气泡动力学的发展,从微观层面揭示沸腾机理变得可行。本文基于气泡动力学和气泡边界层模型,提出了一套预测过冷流动沸腾的理论模型,采用分相模型,将流场在径向上划分为多个区域,通过1组准二维控制方程,将各区域内的气泡行为,区域间的质量、动量和能量交换以及两相参数沿轴向的变化情况考虑在内,利用获得的边界层流场信息,可确定ONB点和OSV点。模型与空泡份额和流体温度的实验结果符合良好,并成功应用于核反应堆燃料元件通道的过冷流动沸腾计算。

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。

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。

润滑油对超临界压力CO2对流换热特性影响

本文对含有少量润滑油对冷却条件下水平细圆管中超临界压力二氧化碳的对流换热特性进行了实验研究,并与相应不含润滑油的工况及已有经验关联式进行对比。实验结果表明,润滑油会使冷却工况下超临界压力二氧化碳的对流换热恶化,尤其是二氧化碳温度在准临界温度附近时,恶化现象更显著。本文提出了用于计算含润滑油时冷却工况下超临界压力二氧化碳对流换热的经验关联式,其计算结果与90%以上实验数据的偏差在25%以内。

反应堆内置式控制棒水压驱动回路技术研究

根据内置式控制棒水压驱动技术的特点,提出离心泵连续运行和隔膜泵间歇运行2种驱动回路设计方案,并从振动噪声和耗功的角度对2种方案进行计算、分析和比较。针对隔膜泵间歇运行方案,以某反应堆冷态调试工况为例,计算分析驱动机构水压缸泄漏流量和控制棒动作间隔时间对充水间隔时间和泵运行时间的影响。结果表明,离心泵连续运行方案适用于控制棒数目较多、泄漏流量较大的工况;当泄漏流量较小时,采用隔膜泵间歇运行方案,通过选择合适的隔膜泵流量和储水箱气水比,可减少泵运行时间、增加储水箱充水间隔时间,并减小振动、噪声以及降低功耗。

一体化水堆内置式控制棒水压驱动技术研究

|安全性和经济性满足较小功率用户需求的小型核反应堆为近年来的研究热点,一体化布置水冷反应堆为小型核反应堆的主要堆型之一。核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最关键的安全设备,担负着反应堆的启动、功率调节及停堆等重要功能。该文给出一种应用于一体化布置水冷反应堆的内置式控制棒水压驱动技术,包括功率小于50 MW的A型和热功率50~300 MW的B型2种整体设计方案、部件组成、主要功能和性能等工程研究和应用。为一体化水堆提供了完整的内置式控制棒驱动线,包括其部件组成、联接结构、固定方式和功能;降低了反应堆高度;避免了弹棒事故,增强了反应堆安全性;使一体化布置反应堆更加紧凑、体积小、自然循环能力加强。

单液滴运动相变模型

在对汽水分离装置中液滴运动过程中的相变现象描述和物理机理解释的基础上,结合压力变化条件下静止单液滴相变模型的基础和液滴运动模型,建立了单液滴运动相变模型。该模型给出了液滴运动过程中,由于流动阻力和局部结构改变造成压力降低,打破汽液相平衡而造成液滴的快速蒸发和汽液相平衡蒸发2个阶段的机理解释和数学表述,与已有结果和理论分析结果均较符合。该模型可以用于液滴在重力分离空间、旋风和旋叶分离器、波纹板分离器等汽水分离装置中运动相变过程中的分离效率计算,衡量液滴相变对汽水分离性能的影响,指导分离装置结构的优化设计。

振动工况下过冷流动沸腾界面参数实验研究

过冷流动沸腾中局部时均界面参数对发展两流体模型十分重要,而振动工况下过冷流动沸腾的界面参数变化很少有文献报道。本研究采用四探头电导探针分别对静止工况和低频水平振动工况下环管内过冷流动沸腾的时均空泡份额、界面面积浓度和汽泡平均直径进行了测量,并且研究了不同流动工况对局部参数在径向位置处分布的影响。实验发现,低频水平振动对局部时均参数的影响比较有限,局部时均空泡份额和界面面积浓度略有下降,汽泡直径分布出现轻微波动。

微通道换热公式应用于水和制冷剂适用性评价

水是微通道流动沸腾常用的换热工质,由于其饱和温度较大,目前的沸腾实验大多采用制冷剂替代。然而,水和制冷剂在物性参数上依然具有较大差异,应用于制冷剂的换热公式并不一定能有效应用于水。因此,本文收集1084个工质为水和1002个工质为制冷剂的实验数据,比较两者在无量纲数上的差异,并选取6个常用换热公式,比较其应用于两者的预测准确度。结果表明,6个换热公式应用于水时的准确度普遍低于制冷剂,并且都低估了水的换热系数。