窄小流道内两相界面特征对流动换热与流动失稳影响的实验研究

发布时间：2020-09-11 16:26

　　汽/气液两相流动由于具有可观的传热传质特性,在核反应堆工程、化学工程以及航空航天工程等领域中得到了广泛应用。其中,相分布、压降、沸腾换热以及两相流动失稳等问题对工业设备的经济性与安全性至关重要,一直受到研究者们的广泛关注。目前,越来越多具有大比表面积的窄小流道被应用到了实际工程中。在窄小流道内,汽(气)液界面受到的表面张力与流道壁面的限制作用十分明显,汽泡动力学行为以及流动沸腾现象与常规流道相比具有一定差异。然而,两相界面形态的演变机理及其对流动换热与流动失稳的影响机制至今仍不清晰;不同尺寸流道内的两相流动特征,压降模型、沸腾换热模型、汽泡附壁接触直径分布模型以及流动失稳预测模型等还有很大的改进空间。本文以去离子水为实验工质,在不同流道以及不同工况下对绝热两相流动与沸腾两相流动的汽(气)液界面形态、汽(气)泡动力学特征、沸腾换热以及两相流动失稳开展了可视化实验研究。针对绝热气-液两相流动,发现Taylor气泡的界面形态受到了流道内径与气相流量的显著影响。在小流道内,表面张力相对于粘性力与浮力所占的比重较大,Taylor气泡的界面十分光滑且规则。随着流道内径的不断增大,表面张力所占份额逐渐减小,Taylor气泡的界面波动逐渐增强;尾流的涡旋与剪切效应还会造成Taylor气泡尾部的破碎,且该效应随着气相流量的增加而明显增强。基于以上研究,本文建立了同时适用于不同内径流道(Din=1.00mm~Din=6.00 mm)的弹状流流动压降预测模型;该模型考虑了表面张力以及两相相互作用的影响,预测结果与实验结果相比误差均在±25%以内。对于沸腾两相流动,在小流道(Din=2.15 mm)内,一旦达到ONB点(Onset of Nucleate Boiling),FDB点(Fully Developed Boiling)与准稳态沸腾点快速出现,流型由单相液体快速地转变为弹状流。此外,小流道内准稳态沸腾条件下的压降波动主要归因于弹状流中汽弹的周期性演化。结合本文的实验研究结果,基于Chen关系式的思想建立了同时适用于不同内径流道(Din=2.15 mm~Din=6.88 mm)的沸腾换热模型;该模型考虑了流道壁面的限制作用(Nconf),沸腾强度(Bo)以及两相相互作用强度(Xtt)的影响;模型预测值与实验值相比,误差均在±30%以内。此外,本文基于四面可视化矩形窄流道对沸腾汽泡行为开展了实验研究。发现在汽泡聚合过程中,厚液膜的捕获主要归因于泡间液膜破裂所导致表面张力的改变;当存在于汽-液-固三相接触线的表面张力大于厚液膜与周围液体间压差引起的作用力时,厚液膜被反向排入主流流体,即厚液膜的破裂过程。此外,泡状流向弹状流的转变过程主要归因于多汽泡间的连续聚合现象;而且,在本实验研究中发现泡底厚液膜内存在明显的二次核态沸腾现象。在窄流道内,汽泡附壁接触区域的密度主要受到汽泡核化率与聚合率的共同影响。本文采用Inverse Gaussian分布函数,针对汽泡附壁接触直径建立了预测其分布参数ν和λ的数学模型,预测值与实验值相比误差均在±30%以内。针对沸腾两相流动失稳,本文采用带旁通流道开展了可视化实验研究,从汽泡动力学以及相界面演化的角度来分析汽泡行为对流动失稳的影响机制。研究发现,当三种内径的带旁通流道内(Din=2.15 mm,Din=4.95 mm,Din=6.80 mm)出现沸腾两相流动失稳时,流道出口两相流型均为典型的环状流。对于带旁通小流道(Din=2.15 mm),由于表面张力以及流道壁面的限制作用十分明显;在脉动起始点以前,两相流型为典型的泡状流,且汽泡数量与尺寸均较小,两相流动状态处于稳定阶段。一旦热流密度达到脉动起始点,由于汽泡尺寸的增加以及汽泡被拉长与聚合,两相流型由泡状流快速地转变为环状流,两相流动失稳现象随即发生;此时由于小流道内汽相拥塞并导致汽液界面向上游发展,出现了明显的倒流现象。对于较大尺寸的带旁通流道(Din=6.80 mm),随着热流密度的逐渐增加,流型从泡状流依次向弹状流、搅混流以及环状流发展,两相流动状态也由稳定阶段逐渐转变为不稳定阶段。结合实验研究结果,本文建立了同时适用于不同内径带旁通流道(Din=2.15 mm~Din=6.80 mm)的两相流动失稳预测模型;该模型考虑了流道壁面的限制作用(Nconf)、表面张力与惯性力的作用(We)以及系统压力的影响(ρl/ρg)。该模型对流动失稳边界进行了很好的预测,预测值与实验值相比误差均在±30%以内。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

气泡图,气泡图

重庆大学博士学位论文影响。Tsaoulidis 等人[16]也发现无论入口条件为 T 型接头还是 Y 型接头，毛细管内的气液两相流型均没有显著差异。杨朝初等人[17]通过可视化手段研究了内径分别为 2.89 mm和 1.44 mm 的三角形截面并联小流道内的空气-水两相流问题。结果表明流道的截面形状以及尺寸均对两相流型的转变有显著影响。赵建福[18]分析了泡状流向弹状流的转变机理，认为流型转变主要受到了气泡合并的影响。Pehlivan 等人[19]通过可视化实验手段研究了微流道和小流道内的气液两相流问题，发现流动状态分为惯性力控制区域以及表面张力控制区域。Tomiyama 等人[20]也提出，气泡尺寸的增大会造成气泡形状和速度的改变，并基于气泡受力分析将气泡分为三个力控制区：惯性力控制区、粘性力控制区以及界面力控制区。

工质,系统压力,核化,质量流速

发生核化滞后现象时的加热壁面过热度达到现以环己烷为实验工质时，发生“核化滞后”现象时。通过不同研究者的研究发现，ONB 点与具体的工况、系统压力、入口过冷度、实验工质质量流速以及热流水平常规流道内开展实验发现，ONB 点对应的热流密增加，并且受到了实验工质质量流速的显著影响。然工质入口温度的增大 ONB 点对应的热流密度会逐渐减然循环条件下，ONB 点位置与系统压力、实验工质质密度呈负相关性，与流道尺寸关系不大。张明等人[74]通较，指出系统压力对 ONB 点的影响可以分为两个方面成汽液密度差的减小，使汽泡不易产生和脱离加热壁；另一方面，系统压力的增大会使加热本体的热阻增使核态沸腾提前发生。

示意图,汽泡,池沸腾,示意图

图 1.3 池沸腾中的汽泡聚合示意图[113]Fig. 1.3 The schematic diagram of bubble coalescence in the pool boiling[113]通过以往的研究，研究者们认为加热壁面的换热能力与汽泡的聚合行为[111]。ünal[112]认为在球形或者半球形的汽泡与加热壁面之间存在着一层热量正是通过这层液膜从加热壁面传递给汽泡。Bonjour 等人[113]提出，的聚合会使各汽泡底部的微液膜合并成一个更大的微液膜，该合并后的被 Yu和 Mesler[114]称为“厚液膜”，如图 1.3 所示。这种由于汽泡聚合所加厚液膜将使得汽泡底部液层的体积大大增加，它将对沸腾换热产生非影响。Mukherjee 和 Dhir[115]通过数值模拟的手段研究了汽泡聚合过程中力学行为以及加热壁面换热特性。结果表明，通过对聚合过程中汽泡底以及聚合后汽泡收缩过程中周围冷流体的捕获，汽泡的聚合会强化加热热能力。Wei 等人[116]通过数值研究发现，汽泡底部的传热中有 40%是在蒸汽界面间蒸发实现的；而这部分热量正是来源于厚液膜内的导ngoni 对流。通过 Bonjour 等人[113]以及 Chen 和 Chung[117]的研究发现，当

【参考文献】