小型堆中窄矩形通道自然循环临界热流密度实验研究

针对窄矩形通道在换热过程中有较高功率密度的问题,本文为了解决在小型反应堆中的应用,采用所搭建的小型窄矩形自然循环通道,进行实验研究,并结合BP神经网络方法对实验数据进行预测,分析在不同参数工况下临界热流密度随不同参数的变化情况以及不同参数对临界热流密度的影响程度。研究结果表明:质量流量与系统压力对临界热流密度点的影响呈现正相关;出口干度对临界热流密度呈现负相关;且质量流量对临界热流密度的影响程度最大;压力对临界热流密度的影响程度最小。利用相关实验数据,基于影响因素大小,通过BP神经网络方式,建立了适合于自然循环窄通道小堆的模型。BP神经网络算法的预测值与实验值符合良好,误差为10%;Katto模型与实验数据相比误差较大,Zhang公式和拟合公式的误差较小,所建立的临界热流密度模型可作为窄矩形通道自然循环临界热流密度的计算公式。

窄矩形通道内环状流周期性携带特性研究

开展窄矩形通道内环状流周期性的携带特性研究,能为反应堆的事故处理提供数据和理论支撑。本研究开展了窄矩形通道中环状流周期性携带特性实验,通过高速摄影图像数据观察对携带过程的不同区域行为进行了辨别,结果显示携带过程的每个周期由携带起始区、完全携带区、液膜反转区和液相下行区共4个区域组成。对不同携带区域在整个周期内的时间占比进行了计算,讨论了液相流速和气相流速对不同区域时间占比的影响,并定性分析了其影响原因。通过引入多尺度排列熵分析方法对窄矩形通道内环状流进行了分析,结果显示,当气相折算速度较小时,整体环状流排列熵呈无序状;当气相折算速度较高时,随着气相速度的增加,整体排列熵逐步降低。根据分析结果研究了将多尺度排列熵的“无序”向“有序”的转换点作为含液相下降段和完全上升段转折点的可行性。

摇摆状态下窄矩形通道内两相流流型特性研究

以空气和水为工质,在40mm×1.6mm的窄矩形通道内对竖直状态和摇摆状态下两相流流型进行了研究。流型由拍摄照片辨别,实验通道内观察到的流型有泡状流、弹状流、搅混流和环状流,绘制出窄矩形通道内的流型图,并与常规尺寸圆管内两相流型进行了对比。摇摆对窄矩形通道内流型的影响与常规尺寸圆管相似,但由于狭小空间的限制及表面张力的作用,摇摆对两相流动并无明显影响。

窄矩形通道内两相流动压降特性研究

以空气和水为工质,在40 mm×1.6 mm的窄矩形通道中对竖直向上气-液两相流动压降特性进行了实验研究。对比了现有的两相流动阻力计算关系式,结果表明,传统的计算关系式均不适用于窄矩形通道内两相流动阻力的计算;而以窄矩形通道为基础的Lee-Lee关系式误差相对较小,但预测值与实验值相比整体偏小。为此结合实验数据,以分液相-分气相雷诺数之比Rel/Reg为依据将流动分为两个区域,分别对Chisholm关系式进行修正,修正关系式与实验数据的误差较小,能够很好地预测本次实验结果。

窄矩形通道内两相流动压降特性研究

以空气和水为实验工质,分别在40mm×1.6mm和40mm×3mm的矩形通道中对竖直向上气-液两相流动阻力特性进行了实验研究。该研究还对比了现有的两相流动阻力计算关系式,结果表明,对于窄缝为1.6mm的通道,传统的阻力计算关系式均不适用;而窄缝为3mm的通道,除Friedel模型和Tran模型外,其余模型与实验值符合较好。为此结合实验数据,以分液相雷诺数为依据将流动分为层流区、过渡区和湍流区3个区域,分别对Chisholm关系式进行修正,结果表明:C为当量直径的线性函数,当量直径越大,C越小。修正关系式与实验数据的误差较小,能很好地预测本次实验结果。

三面加热窄矩形通道内气液两相流流型研究

以去离子水为工质,对截面为3mm×43mm的三面加热窄矩形通道内流型转化过程进行可视化实验研究。借助高速摄影仪记录可视化数据,观察到泡状流、弹状流、搅拌流和气膜塞状流等4种主要流型,并详细描述了各种流型发生时通道内气泡转化的过程。记录不同流型转化时的临界点,绘制出三面加热窄矩形通道的流型图,分析流型图中流型转化边界曲线的趋势及形成机理。将本实验流型图与现有相似通道尺寸流型图进行对比,结果表明:三面加热条件下的流型转化过程与绝热条件下的空气-水流型转化过程差异很大,某些流型转化曲线存在趋势上的不同;由于窄边加热部分的影响,与单面加热通道的流型转化过程也存在明显差异。气膜塞状流在绝热条件和单面加热条件下均未出现。

窄矩形通道自然循环流动停滞与临界热流密度研究

在华北电力大学自然循环实验室进行了自然循环条件下窄矩形通道内的临界热流密度(CHF)实验,对实验中出现的流动停滞及传热恶化现象进行了观察。提出自然循环饱和沸腾条件下,窄矩形通道内的流动停滞-传热恶化发生机理。即自然循环流量漂移发生后会产生流型变迁不稳定,继而造成流量的持续波动,并导致停滞现象,从而使出口附近的液膜层在一定的热流密度下被完全蒸发并引起CHF现象。而窄矩形通道内,由于受间隙尺寸的限制,蒸汽流对加热面上的液膜层产生挤压作用,加热面上液膜层厚度因此会变得较薄,在较小的加热量下便能发生传热恶化。基于机理分析,给出了相应的计算模型。引入了考虑窄通道间隙尺寸效应的无量纲约束数Nconf和反映自然循环流动特点的特征因子C,分别对模型进行了修正。根据实验结果,对计算模型进行了多元回归拟合,并对其准确性进行了验证。通过对实验结果与模型计算值的比较发现,随着通道入口流速和系统压力的增大,CHF均增大;而随着出口干度的增大,CHF会减小。

摇摆条件下窄矩形通道内流动传热特性数值模拟

建立窄矩形通道在摇摆条件下湍流流动的物理数学模型,应用数值分析方法模拟窄矩形通道的三维非稳态流动的传热过程;考察摇摆条件下通道内流动阻力和换热性能及其随雷诺数Re、摇摆周期T及摇摆幅度max影响的变化规律。结果表明,摇摆状态下窄矩形通道内速度场呈周期性变化;时均摩擦系数favg和时均努塞尔数Nuavg比非摇摆工况下的结果大,Nuavg满足拟合公式0.851 0.4Nu 0.023Re Pr;在相同Re和摇摆周期T下,通道内流体摩擦压降和Nu的变化幅值随max的增大而增大,其变化周期等于T;在相同Re和max下,摩擦压降pf和Nu的变化幅值随T的增大而减小,其变化周期等于T。

三面加热窄矩形通道内饱和沸腾起始点的实验研究

以去离子水为实验介质,对截面为3 mm×43 mm的三面加热窄矩形通道内饱和沸腾(FDB)起始点进行了实验研究。分析了部分热工参数对饱和沸腾起始点的影响,对三面加热窄矩形通道内饱和沸腾起始点的数据进行非线性回归分析,得到适用于三面加热窄矩形通道饱和沸腾起始点热通量的经验关系式。结果表明:新拟合得到的关系式能较准确地预测三面加热窄矩形通道内饱和沸腾起始点的热通量,其预测值的相对误差为15.17%。将新关系式计算结果与现有实验数据进行比较,源于单面加热窄矩形通道的实验数据与新关系式符合程度较好,表明新关系式可适用于单面加热窄矩形通道。

自然循环窄矩形通道ONB点未确知数学建模研究

过冷沸腾起始点是自然循环流动换热中的关键特征点。基于未确知数学原理,利用所搭建的自然循环实验台架取得实验数据,建立矩形窄通道过冷沸腾起始点(ONB点)未确知热流密度数学模型。通过进行未确知数学计算结果分析,划分出可用区间、置疑区间、剔除区间。结果表明,未确知数学模型能更好地处理未确知信息,增强对实验值的表达,有效地对ONB点热流密度进行准确、全面的描述。

微液滴在窄矩形通道内热泳沉积特性的研究

利用Fluent软件对微液滴随空气流在窄矩形通道内流动时的沉积情况进行了模拟,得到微液滴在窄矩形通道内的质量浓度分布和速度分布.结果表明:在存在温度梯度的情况下,微液滴会在窄矩形通道的管壁处发生沉积,且随着温度梯度的增大,微液滴在管壁处的沉积效应增强;通过增大温度梯度,可以进行微液滴的脱除.

三面加热窄矩形通道内弹状流截面含气率的实验研究

本文以去离子水为实验介质,对截面为3 mm×43 mm的三面加热窄矩形通道内充分发展的弹状流进行实验研究。借助高速摄影仪对弹状流进行可视化实验观察,观察到弹状流的4种演变行为:弹状流充分发展、夹心型弹状流的形成、小汽弹合并成大汽弹、大汽弹合并成加长型弹状流。分析了部分热工参数对弹状流截面含气率的影响,通过引入雷诺数,对三面加热窄矩形通道内弹状流的实验数据进行非线性回归分析,得到适用于三面加热窄矩形通道内弹状流截面含气率的计算关系式。结果表明,新拟合得到的关系式能较准确地预测三面加热窄矩形通道内弹状流的截面含气率,其预测值相对误差为12.36%。

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×1000 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。

窄矩形通道内单相水阻力特性实验研究

文章对两个宽高比不同的窄矩形通道在竖直与倾斜条件下的单相水阻力特性进行了实验研究。通过对实验数据的分析确定了窄矩形通道内单相流动从层流向紊流转变的临界雷诺数为2 400左右。在层流区内,竖直和倾斜条件下试验段内单相水的阻力系数实验值均大于圆管经验公式值,紊流区内阻力系数实验值与Blasius经验公式值符合良好。倾斜对试验段内单相水的阻力特性无影响,但宽高比越小,阻力系数越大。

竖直窄矩形流道液泛研究

为了研究窄小流道内气液两相逆向流动问题,以空气-水为工质,对竖直窄矩形流道内液泛过程及液泛特征点进行了实验研究和理论分析,并与传统流道液泛进行了比较.结果表明,竖直窄矩形流道内液泛起始点符合Wallis关系式,与传统流道液泛起始点以压差突变进行判断不同,窄矩形流道内液泛起始点的判断以有水被携带出流道为标志.窄矩形流道内完全携带点与水流量大小、实验段入口条件无关,只与气体流量大小有关;流向反转点与试验段壁面干燥程度有关,与水流量大小及气体入口条件无关.

窄矩形通道内脉动流过渡特性实验研究

针对光滑窄矩形通道内简谐脉动流层流一紊流（Re范围为750～4450）过渡特性进行实验研究。研究发现，脉动流加速阶段，摩阻系数大于稳态摩阻系数，而在减速阶段摩阻系数小于稳态摩阻系数。Womersley数对层流一紊流临界Re有显著影响，在脉动流加速阶段，临界Re随Womersley数的增大而减小，而在脉动减速部分则相反。通过实验拟合出一适用于预测临界转捩点的经验公式，且与稳态有着良好的衔接。

水平窄矩形通道内液固两相的流动特性

液固两相输运研究主要集中于圆管,窄矩形通道内液固两相水平流动特性和固相扩散特性的研究鲜见报道。在12mm高的水平窄矩形通道内,采用实验研究和计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)数值模拟相结合的方法研究了玻璃珠-水液固两相流动,揭示了压力梯度特性、固相流动特性及其统计学特性、固相扩散特性变化规律。结果表明:在固相运动过程中,形成稀密两相共存的流动结构,密相在水平方向上被加速且向上运动;随着固相浓度增加,固相沿垂向的分布更加均匀,但固相速度非对称分布增强;固相垂向扩散强度随固相浓度增加而减弱。沿垂向将流道分为3个区域:近壁区、颗粒高频碰撞区和颗粒稀疏区。在近壁区,黏性底层-湍流层交界面与颗粒相互作用并将颗粒向流道中心挤压,导致沿流向的固相速度分量和固相体积分散波动较大;在颗粒高频碰撞区,在垂直方向上颗粒无序运动造成其垂向速度分量波动比近壁区和颗粒稀疏区的大;沿流向的固相速度分量和固相体积分数标准差值在整个颗粒高频碰撞区内保持在较小的变化范围,然后在颗粒稀疏区内迅速降低为零。

摇摆对窄矩形通道内流量波动特性的影响

为了研究在摇摆工况下船舶流体系统的流量波动特性,建立摇摆实验平台模拟海洋环境,进行窄矩形通道内流量波动特性研究。结果表明,由摇摆运动引起的附加力会使流体系统的流量发生周期性的波动,且波动周期一致。附加切向压降和附加向心压降的波动振幅随着摇摆角度和摇摆频率的增加而迅速增加,然而时均质量流量随着摇摆角度和摇摆频率的增加减小。在摇摆工况下流量的相对波动振幅随着摇摆角度和频率的增加而增加,随着雷诺数的增加而减小。

摇摆运动时窄矩形通道内两相流动阻力特性实验研究

摇摆运动作为一种典型的海洋条件,会对管内的气液两相流动过程产生较大影响.通过摇摆条件下空气-水在窄矩形通道内流动阻力特性的实验,研究摇摆运动对两相流动过程的影响.实验在常温常压条件下进行,通道尺寸为40 mm×1.6 mm,摇摆角度分别为10°、15°和30°,摇摆周期分别选为8、12、16 s.实验结果表明,摇摆条件下瞬态摩擦压降的变化具有明显的周期性,摇摆周期越小,摇摆振幅越大,即摇摆运动越剧烈,摩擦压降的波动幅度也越大;摩擦压降波动幅度随着含气率的增加而增加,随着流速的增加而减小.

基于流量振荡的窄矩形通道内临界热通量机理模型

设备最大运行功率受临界热通量(CHF)限制,而流量振荡会导致沸腾危机早发,此时的临界热通量称为PM-CHF。为了研究流量振荡条件下窄矩形通道内的临界热通量,进行单侧加热窄矩形通道内竖直向上流动条件下沸腾危机可视化实验,实验工质为去离子水,质量流速范围为350~2000 kg/(m^(2)·s),窄缝宽度范围为1~5 mm,系统压力范围为1~4 MPa。结果显示,在窄矩形通道中CHF随质量流速的增加而线性增加。当流速较小时会发生流量振荡,振荡周期约为0.1 s。流量振荡继而导致沸腾危机早发,其流型表现为弹状流-搅混流。此外,针对本实验观察到的流量振荡和窄矩形通道内气泡动力学特性,从流量振荡的角度进行理论分析与推导,建立窄矩形通道内由于流动失稳引起的PM-CHF机理模型,预测误差在30%以内。