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。

纵向涡发生器传热强化的研究进展

通过对纵向涡发生器研究进展的回顾,可以看出以往的研究主要集中在纵向涡发生器对气体介质的传热强化上,而对液体介质的传热强化作用的研究较少。运用场协同原理对纵向涡的产生和传热强化作用机理作出了初步解释。下一步的研究工作首先应对纵向涡发生器的几何尺寸进一步优化,其次针对矩形窄通道内液体的强化传热进行深入研究,最后以水为介质时,针对纵向涡发生器对窄间隙矩形通道内临界热流密度的影响机理进行研究。

窄缝矩形通道单相流动及传热实验研究

以垂直向上窄缝矩形通道内去离子水为流动介质,对单相等温流动及恒热流密度条件下的单相传热进行了实验研究。结果表明,窄缝矩形通道内的单相等温流动特性及单相传热特性并未偏离常规尺度通道内的相关规律,采用经典理论解或关系式能获得较好的预测结果。

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。

高宽比对矩形窄通道内单相水流动特性的影响机理

通过理论和实验研究了矩形窄通道内单相水的流动特性。结果表明:矩形通道截面高宽比对其流动阻力有重要影响,层流区和紊流光滑管区摩擦阻力均随高宽比的减小而增大。可视化结果表明:矩形窄通道临界Re为2 500～2 600,高宽比对窄通道内流态转捩无明显影响。层流区高宽比通过改变截面湿周及速度分布两方面影响摩阻特性;紊流区高宽比通过改变黏性底层紊流时均速度分布及截面湿周两方面影响摩阻特性。

摇摆条件窄缝矩形通道内层流充分发展流动

为获得摇摆条件下窄缝矩形通道内充分发展层流流动规律,首先根据流体质点受力分析结果求解摇摆条件下的动量方程获得层流充分发展速度分布和摩擦系数的理论解;然后开展角振幅±15°、周期8 s摇摆条件下900≤Re≤2600范围内的层流等温流动实验。理论和实验研究结果表明,摇摆条件相对静止条件的最大不同在于各项质量力的周期性变化会引起压力梯度的周期性变化,流体动力结构关系进行重新调整。其中,流体所受剪切力不发生变化,各项质量力产生的压降波动会相应地引起总压降的波动,而摩擦压降和流量不发生变化;摇摆条件下层流摩擦系数也不发生变化,并且理论预测值相对实验值的偏差在-1.1%～+4.3%的范围,两者具有较好的一致性。

摇摆条件下窄通道内单相水流态转捩特性

矩形窄通道广泛应用于紧凑式换热器中,其内单相流动流态转捩特性会受到摇摆运动的影响.结合流迹显示技术,对摇摆条件下矩形窄通道内单相水从层流向湍流转变临界点附近的流动特性进行了实验研究.结果表明稳态条件下临界Re为2 550左右.摇摆条件下当Re小于2 400时,流态显示为稳定的层流,Re大于3 500时,流态为湍流,摇摆对稳定的层流区和湍流区流态没有影响;Re为2 400～3 500之间时流动处于过渡区,摇摆对其流态转变有一定影响.在临界点附近摇摆振幅越大,流态转捩越容易发生;摇摆周期对流态转捩影响很小.摇摆运动改变系统重位压降及产生附加压降,从而对流态转捩的影响不可忽视.

通道尺寸对竖直向上气-水两相流流型影响实验研究

本文以空气和水为工质,对竖直向上矩形通道(40mm×1.41mm,40mm×10mm)和圆形通道(D=25mm)内的两相流流型特性进行了可视化研究。气液两相的表观速度分别为:0.03～24.71m/s和0.03～3.73m/s。3个实验段内均出现了泡状流、弹状流、搅混流和环状流4种流型,40mm×10mm和圆形通道中流型特征较为接近,与40mm×1.41mm通道中流型相比存在明显差别。此外,绘制出了3种通道详细的流型图。对比结果显示,矩形通道窄边宽度对流型转变有显著的影响,随着矩形通道窄边宽度的增加,其流型转变边界更加趋近于圆形通道。

倾斜窄矩形通道内弹状流特性的实验研究

以空气和水为工质,应用高速摄影仪,对3.25 mm×43 mm的竖直和倾斜窄矩形通道的弹状流进行了可视化研究。按分液相雷诺数将流动分为层流区(Relo<3000)和湍流区(Relo≥3000)。实验结果表明,在层流区,气弹上升速度随倾斜角度的增加而增大;在湍流区,倾斜角度对气弹上升速度的影响不明显。基于湍流区拟合得到的分布参数C0和班可夫系数CA分别为1.151和0.788,与实验数据具有较好的一致性。对于空泡份额Jones-Zuber模型和Ishii模型,在湍流区两者预测结果与实验基本一致,但在层流区,Jones-Zuber模型预测效果较好而Ishii模型偏差较大。

竖直窄矩形通道内弹状流特性的实验研究

针对窄矩形通道内弹状流的气弹行为和阻力特性问题，以空气和水为工质，应用高速摄影仪，对3．25 mm×43 mm的竖直矩形通道进行了弹状流的可视化研究。实验共获得111组数据，气、液相雷诺数范围分别为55～2042和1115～22016。实验结果表明，气弹上升速度随两相折算速度线性增加；气弹长度随液相折算速度的增加而减小，随气相折算速度的增加近似线性增大；气弹区（1≤L＊b ＜2），气弹宽度随气相流量的增大而显著增大，到达加长气弹区（L＊b ≥2），气弹宽度基本稳定。基于两相折算速度的雷诺数对实验数据进行拟合，拟合关系式的误差为14．7％。

简谐摇摆运动下窄通道内空气-水两相流摩擦阻力

矩形窄通道广泛应用于紧凑式换热器设计中,其内空气-水两相流动摩擦阻力受简谐摇摆运动影响而与稳定状态不同。笔者通过实验研究了摇摆运动条件下矩形窄通道内绝热两相流摩擦压降特性。结果表明:层流区(分液相雷诺数Rel<800)及过渡区(800≤Rel≤1400)摇摆条件下摩擦压降波动周期等于摇摆周期;湍流区(Rel>1400)摩擦压降没有明显的周期性波动。Lee-Lee模型能较好地用于摇摆条件下平均摩擦压降的预测,但不能用于周期性变化摩擦压降的动态预测。通过分析大量实验数据的变化规律,基于奇斯霍姆C(Chisholm)关系式,拟合得到了摇摆条件下瞬时摩擦压降经验关系式,其预测值与实验值有较好的一致性。