单面加热矩形窄缝通道流型可视化研究

针对截面为40 mm×3 mm的竖直矩形窄缝通道,在低压以及入口温度过冷的条件下,对水流动沸腾的流型特征进行了可视化实验观察。观察到弥散泡状流、合并汽泡流、搅拌流和环状流4种流型;获得了矩形窄缝通道内流型的二维可视化图像,为流型的确认提供了直观的依据;对实验数据进行了初步分析,绘制了单面加热矩形窄缝通道内水流动沸腾的流型图。将本实验数据与现有的典型流型图进行了初步的对比分析,结果表明加热蒸汽-水的流型及其转变规律与绝热空气-水的差异明显。

矩形窄缝通道内单相水流动特性研究

通过理论分析,得到了计算矩形窄缝通道单相层流摩阻系数的公式。对小高宽比矩形窄缝通道内的流动特性进行了实验研究,结果表明:矩形窄缝通道内单相摩阻系数随Re变化的曲线和圆管有相同的趋势,但圆管流动摩阻公式不适用于矩形窄缝通道。矩形通道内摩阻系数与Re和通道截面高宽比有关,通道高宽比越小,摩阻系数越大。实验结果和理论推导结论一致。从截面湿周和切向应力两方面解释了高宽比对矩形窄缝通道内单相水层流摩阻特性的影响机理。

矩形窄缝通道流动不稳定起始现象实验研究

以去离子水为工质，在P=1-15MPa，G=500-2000kg／（m^2·s），△Tsub,in=20-100℃，q=40-1000kW／m^2的参数范围内，实验研究了1000×25×2mm矩形窄缝通道内工质向上流动时，重要热工水力参数对通道流动不稳定起始点（OFI）的影响特征。得到了OFI点与系统参数（包括系统压力、入口过冷度和热流密度）之间的关系；讨论了OFI点与出口热平衡含汽率之间的关系。用St数和Pe数建立了适合于本实验参数和相近条件下的流动不稳定起始点计算关系式：当热流密度低于400kW／m^2时，其预测偏差在±30％以内；热流密度高于400kW／m^2时，其预测偏差在±10％以内。用OFI点的热流密度与出口达到饱和时的热流密度之间的关系拟合得到经验关系式：当热流密度低于400kW／m^2时，其预测偏差在±15％以内；在热流密度高于400kW／m^2时，其预测偏差在±5％以内。

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。

矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度试验本体设计

矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度试验研究的关键技术包括试验本体设计、试验技术、试验数据处理等,而试验本体的设计是试验研究能否正常开展的关键。因此,准确、合理的试验本体的设计,对于矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度试验研究是非常重要的。本文介绍了矩形窄缝通道轴向功率按截断余弦分布的临界热流密度试验本体的设计方法和结果。试验采用电加热方式,通过改变试验本体沿轴向的壁厚来实现非均匀加热,本文还介绍了试验本体的绝缘措施,临界测量方法等。

摇摆条件下矩形窄缝通道单相等温流动摩擦阻力特性研究

通过实验研究和数值计算相结合的方法研究摇摆条件下矩形窄缝通道单相等温流动摩擦阻力特性。研究发现:受摇摆附加惯性力的影响,流道内的微观流场出现变化,但在本实验参数范围内,流场的微观变化较小,摇摆对摩擦阻力特性的影响可以忽略,由流道静止状态获得的摩擦阻力系数计算公式在摇摆条件下仍然适用。

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。

矩形窄缝通道临界热流密度数值预测

利用已有的实验数据对Weisman模型和Kwon模型的计算结果进行计算与分析。结果表明:2套模型计算偏差分布趋势相似,但Kwon模型的分散度较小,精度更高。对于矩形窄缝通道,已有的汽泡壅塞模型预测精度较差;不宜将汽泡壅塞模型直接用于矩形窄缝通道。结合矩形窄缝通道自身的特性对其中的Kwon模型进行了拓展。改进后的模型具有良好的预测精度且消除了系统性偏差。

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。

升沉条件下矩形窄缝通道单相等温流动摩擦阻力特性研究

采用实验和理论分析相结合的方法研究升沉条件下矩形窄缝通道以水为介质的单相等温流动摩擦阻力特性。结果表明,矩形窄缝通道的几何效应体现在层流区;影响升沉条件下矩形窄缝通道摩擦阻力特性的因素是通道入口和出口边界条件;当入口和出口均给定速度边界时,升沉运动对等温流动没有影响,在静止状态获得的摩擦系数计算公式在升沉条件下仍然适用。

矩形窄缝通道低压低流速流动不稳定起始点实验研究

针对截面为40mm×3mm的竖直矩形窄缝通道,在低压低流速条件下,对其流动不稳定起始点(OFI)进行了可视化实验研究。观察到了OFI出现时通道内对应的汽泡以及流型分布等微观特征;基于可视化观察结果,定性分析了OFI出现的内在机理;获得了主要热工水力参数对OFI的影响规律;采用本实验获得的数据,对现有的OFI预测关系式进行了定量评价。结果表明:以饱和点参数为变量得到的关系式基本都能与本实验数据较好地吻合。

矩形窄缝通道内流动不稳定起始点计算模型评价

以未除气去离子水为工质，在P=-1～15MPa，G=500卢冬华2000kg／（m^2·s），△Tsub,in=20～100℃，q=40～1000kw／m^2的参数范围，以1000mm×25mm×2mm矩形窄缝通道内垂直向上流动条件下流动不稳定起始点的实验数据为依据，对Saha-Zuber，Levy，Bowring等人提出的预测OSV点关系式和Whittle＆Forgan，Lee＆Bankoff，Kennedy等人提出的预测OFI点关系式进行了对比分析。结果表明：建立在过冷沸腾基础上的这些预测关系式对OFI点的预测偏差大部分在士20％以内，而其预测结果在低热流密度下低于实验值，在高热流密度下预测结果高于实验值。同时，基于实验数据建立了一个流动不稳定起始点的计算关系式：qOFI=1．95qsat^0.87，其预测偏差在±15％以内。与其它实验数据的对比结果表明：本文得到的关系式对其它通道也具有比较好的适用性。

基于矩形窄缝通道实验数据的DNB机理模型评价

偏离泡核沸腾(DNB)对于压水堆安全具有重要意义。已有机理模型能否适用于矩形窄缝通道缺乏足够的实验验证。本文基于矩形窄缝通道实验数据,对微液层蒸干模型和汽泡壅塞模型两类DNB机理模型进行了计算评价。结果显示:汽泡壅塞模型适用范围较微液层蒸干模型宽;部分热工参数对模型计算性能有系统性影响。随空泡份额的增大,各模型的计算性能均变差,可能是通道几何差异所致。

起伏运动对矩形窄缝通道内汽泡直径分布的影响

为进一步探明起伏条件下过冷沸腾两相流相分布特性,采用高速摄像技术和数字成像分析技术,对静止和起伏条件下窄缝通道内汽泡进行可视化实验研究。实验结果表明:随着起伏频率增加,各相位间流道内汽泡直径变化增大。在相同的起伏条件下,增加质量流速将减小各相位间汽泡直径波动幅度。文中给出汽泡平均直径随起伏运动波动幅值的预测关系式,预测结果平均相对偏差为±19.1%。

中低压条件下矩形窄缝通道两相流动传热试验研究

在中低压条件下,对矩形窄缝通道两相流动传热进行试验研究,分析两相流动传热的变化规律,拟合出饱和沸腾传热系数计算关系式,并采用简化的一维分析方法对两相压降进行分析计算。试验结果表明:在相同热平衡含汽率(x)情况下,两相流动压降随系统压力(p)的降低而增大,随系统流量的增大而增大的变化规律;p越低,两相流动压降随x的增加而增大越剧烈;流量越大,两相流动压降随x的增加而增大越剧烈。通过数据回归方法得到汽相湿周长比例因子F并拟合了计算关系式,其计算值与试验值符合得较好。矩形窄缝通道内饱和沸腾平均传热系数受p、质量流量及热流密度的影响较大。

矩形窄缝通道内水稳态和瞬态流动换热特性实验

以去离子水为工质,在压力0.5～5.0 MPa的范围内,对矩形窄缝通道内水稳态及瞬态流动换热特性进行了实验研究。结果表明:矩形窄缝通道在水平和竖直放置以及稳态和瞬态条件下,水的流动换热特性呈现出基本相同的规律。层流向紊流过渡区域的雷诺数(Re)为900<Re<1300,比常规通道提前,单相摩擦阻力系数比常规通道大;采用Dittus-Boelter公式的形式拟合得到了新的换热实验关联式,其系数较Dittus-Boelter公式的系数约小11.3%。在稳态条件下,紊流区换热系数随质量流速的增加而增大,增大趋势比较明显;换热系数随热流密度的变化不明显;压力对单相强迫对流换热特性基本没有影响。

水平矩形窄缝通道内水沸腾换热的实验研究

以去离子水为工质,在1.0-6.0MPa压力范围内,对大宽高比(1.0×60mm、1.8×60mm、2.5×60mm)矩形狭窄通道内两相沸腾的换热特性进行了实验研究。分析了压力、窄缝间隙、热流密度、质量流量、含汽率等参数对矩形窄缝通道内水的沸腾换热的影响,得到了矩形窄缝通道内沸腾换热经验关系式,与实验数据符合良好。

宽高比对矩形窄缝通道内流体温度场的影响

对宽面均匀加热、窄面绝热的矩形窄缝通道内强迫对流换热进行了3维数值模拟,模拟结果与实验数据符合较好。使用该方法研究了宽高比对矩形窄缝通道内流体温度场的影响。结果表明,对于大宽高比矩形窄缝通道,在角部区域以及加热面中心区域均会出现热集中现象;加热面中心区域的热集中程度较角部区域的热集中程度低,并且随着矩形通道宽高比的减小而消失;此外,由于数值扩散的影响,低阶插值格式(如乘方插值)不能预测出加热面中心区域的热集中现象。

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明:本文模型可以较好地预测1~4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。

矩形窄缝通道入口堵流的PIV实验研究

板式燃料元件堆芯结构紧凑,传热效率高,但燃料板间窄缝通道易发生堵塞事故,造成局部传热欠佳。针对矩形窄缝通道入口堵流,利用粒子图像测速技术(PIV)开展常温常压不同雷诺数下(2400~9600)25%堵塞份额的流场测量实验。分析堵塞体下游时均速度场、涡量场、脉动速度场,探讨入口堵流对窄缝通道内流场特性的影响和雷诺数效应。研究发现,入口堵流下游流场可分为主流区、剪切层、回流区、低速区、再附区、恢复区。与主流区相比,其他区域流速低,剪切流动在回流区内产生一对漩涡,再附区后流动逐渐趋向于稳定,高湍流脉动速度与高雷诺剪切应力主要分布于剪切层和漩涡中,流动雷诺数效应显著,随着雷诺数增大,回流区、低速区高湍流强度区域面积增大,再附区、再发展区向下游移动。