大尺度受限空间核态池沸腾换热机理分析与实验研究

发布时间：2020-06-27 07:28

【摘要】：尽管沸腾现象普遍存在,但因涉及复杂的相变过程、汽泡运动、对流流动等方面,故其相关机理尚不完全清楚。核态沸腾的传热机理和高效换热能力的成因成为长期以来的研究热点。目前经验或半经验关联式通常用于沸腾换热的计算,但由于沸腾的复杂性,现有的经验关联式和研究成果有其应用局限性,而且实验手段和工况的差异,使有关沸腾换热的关联式往往存在较大偏差。大尺度垂直换热管外沸腾换热广泛应用于新一代核电系统中,如反应堆、非能动安全系统和乏燃料的贮存冷却等,其不同于常规的池沸腾,更不同于管内流动沸腾。且现有的研究主要着眼于壁面过热度、汽化核心数、汽泡的形成和蒸发的微观机制。因此,开展大尺度垂直管外沸腾换热的研究,突出汽泡的动力过程以及介观和宏观传热机理研究相结合,对揭示沸腾换热的运动规律有科学意义,对核电工程系统等工业相变换热设备的设计也有着重要的指导意义。本文以大尺度垂直管外池沸腾为研究对象,运用数值模拟和实验研究相结合的方法,分析了受限空间内垂直换热管外池沸腾的汽泡行为和动态特性、局部流动换热机制以及整体流动换热规律。主要的研究工作及取得的研究成果如下:运用VOF多相流模型和Lee传质模型,对受限空间内垂直管外池沸腾进行CFD模拟。建立受限空间内大尺度垂直换热管外沸腾换热的数值模型,分析了影响沸腾换热特性的关键因素汽泡行为,以及其影响下的局部换热特性。结合可视化实验中观测到的汽泡形态和行为,分析了汽泡的成长合并机制和大汽泡的破裂及尾流特性。分析蒸汽泡的形态、分布和相互间的作用,可发现受限空间内垂直换热管高度方向上汽泡行为存在四个区域:孤立汽泡区(汽泡尺度均匀),汽泡聚合成长区(汽泡尺度出现差异化),汽泡聚合和裂变区,汽泡行为混沌区(汽泡行为和形态多样化且复杂化)。同时也确立了数值模拟方法的可靠性和准确性。构建垂直换热管外池沸腾实验平台,进行大气压力条件下受限空间和开放空间沸腾换热的实验研究。研究发现从自然对流到过冷沸腾,至最后达到饱和沸腾,换热管外壁面温度和换热系数在换热机制转变中存在相应的转折点。不同高度上,自然对流和过冷沸腾的发展时间有所不同,换热管下部自然对流持续时间最长,且下部过冷沸腾阶段换热系数存在一个陡升,最终换热管上下水域几乎同时达到饱和沸腾。与开放空间垂直换热管外池沸腾相比,受限空间内的池沸腾换热能够缩短水箱下部达到饱和温度的时间,有效减弱池内的热分层。基于新一代核电系统的非能动余热排出换热器(PRHR HX),建立原尺度的垂直换热管束通道内沸腾换热的数值模型,并由经验关联式和西屋公司开展的实验数据验证了其准确性。数值结果表明:PRHR HX不同高度上的核态沸腾的物理场存在更为明显的差异,这也表明对于大尺度垂直管外沸腾换热应用传统的整体长度核算设计将会形成偏差。另外,分析了管间距(2D×4D)效应,小间距(2D)对应壁面换热性能的波动性大,但能够形成相对较高的对流速度,大间距与小间距的有效结合(2D×4D)是一种很有效的强化换热方式。通过对比4m和5.486m管长,相同位高壁面换热系数差异不明显,短管略低于长管;而对于整个换热壁面换热系数,短管却优于长管。该研究对指导非能动冷却系统的设计,以及其它应用池沸腾的核电工程设计具有重要的借鉴意义。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：

非能动余热排出系统,池沸腾,大尺度,现状

和非能动乏燃料池的冷却系统，这些非能动安全系统均采用大池内管束池沸逡逑腾模式实现热量的转移和排出Ｕ，２１。逡逑以非能动余热排出系统为例（图１－１），非能动余热排出换热器（ＰＲＨＲ逡逑ＨＸ）布置在换料水箱（丨ｎ－ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ邋Ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ邋Ｗａｔｅｒ邋Ｓｔｏｒａｇｅ邋Ｔａｎｋ，邋ＩＲＷＳＴ）逡逑内，发生失水事故后，反应堆内的冷却剂流入换热器管程，将热量传递给逡逑１ＲＷＳＴ中的水，约２小时后，池水达到饱和状态并开始沸腾，产生的蒸汽逡逑排放到安全壳的大气中，从而导出堆芯衰变热，保证堆芯的安全［２，３】。非能动逡逑余热排出换热器由上千根光管密集排布而成，管间受限空间内的沸腾现象既逡逑不同于典型的池态沸腾，也不同于管内流动沸腾。另一方面，换热管高度达逡逑５ｍ以上（尺度大），不同高度上的沸腾换热及流动特性存在差异。逡逑目前

几何形状,池沸腾,几何形状

山东大学博士学位论文逡逑实现传热终端流体域的沸腾，其热量传递机制如图２－２所示。由于难以准确测量逡逑换热壁面温度和热通量，通常使用电阻加热，以便在受控的确定热流条件下进行逡逑实验。当然，不同的加热方式还可以影响沸腾过程，特别是在离开核态沸腾和过逡逑渡区时，如图２－３所示逡逑开放式逦受限式逡逑图２－１不同几何形状的池沸腾逡逑热载体１=邋}逦液体域逡逑？－ＡＷＡＶＶ＾逡逑Ｉ体壁ｂ逡逑了邋Ｆ邋？逦逦逡逑逦＾逦＃ＴＳ逡逑图２－２热载体的热传递过程逡逑恒热流逦ｆ逦＿逦／逡逑。，…………邋刈＿逡逑Ａ＊＊＂ｓａｉ逦＾ｓｆｆｌ逡逑图２－３加热方式对沸腾曲线的影响逡逑当在低过热度情况下的固体表面上发生沸腾时，可以看到在优先成核位置重逡逑复形成汽泡。由于汽泡的上升速度明显大于液相自然对流速度，而且汽泡吸收并逡逑１８逡逑

【参考文献】