竖直窄矩形通道内壁面热流分配模型的实验研究

发布时间：2020-05-30 21:12

【摘要】：在核动力反应堆热工水力设计中,需要使用CFD软件对堆芯内热工水力参数进行计算,而目前CFD软件中的壁面热流分配模型都是针对于常规通道建立的,且模型中使用的汽泡参数多在池式沸腾条件下提出,而窄矩形通道中的汽泡行为异于常规通道,因此若想提高堆芯热工水力设计计算精度,达到精细化设计的要求,需要针对窄矩形通道内壁面热流分配开展深入的实验研究,提出适用于窄矩形通道的壁面热流分配模型。为了观察窄矩形通道中汽泡行为并分析壁面热流分配特点,实验中压力的范围是0.1-0.5 MPa,入口过冷度的变化范围是20 K-60 K,质量流速的变化范围是400-1600kg/(m~2·s),热流密度的变化范围是100-650 kW/m~2,采用高速摄影仪拍摄窄矩形通道内过冷流动沸腾时的汽泡行为,采用自动化图像处理技术处理汽泡视频,获得汽泡位置、汽泡直径和汽泡速度等基本汽泡参数。实验中观察到窄矩形通道加热壁面产生两类汽泡:浮升型汽泡和滑移型汽泡,壁面过热度和压力对两类汽泡的数量占比有显著影响,而且两类汽泡的汽泡直径均与生长时间呈幂数关系;自动化算法处理汽泡基本参数处理来获得汽泡特征参数:随着壁面过热度的增加,汽化核心密度、汽泡直径、汽泡速度和汽泡密度都有所增加;系统压力、液体过冷度和流量对汽化核心密度没有影响;而液体过冷度越高,汽泡脱离直径和浮升直径越小,同时得到汽泡脱离频率与脱离直径的乘积为常数;汽泡直径和汽泡速度的分布为正态分布,而且随着空泡份额的增加汽泡速度会超过液体速度。由于两类汽泡的行为特性不同,将窄矩形通道中的壁面热流分为三部分,即浮升型汽泡热流密度、滑移型汽泡热流密度、以及在汽泡影响面积之外的单相对流换热热流密度,考虑到两类汽泡的数量占比,得到适用于窄矩形通道的壁面热流分配模型,预测误差在±30%以内,而且随着加热壁面过热度的增加,浮升型汽泡和滑移型汽泡各项热流密度都有所增加,单相对流换热热流密度减小,但始终占有较大比例。本文通过实验研究和理论分析相结合的方法,确定了窄矩形通道内汽泡行为特点,针对窄矩形通道内的流动情况与传热特点建立了适用于窄矩形通道的壁面热流分配模型,为堆芯内的两相流计算提供了更加准确的模型,为窄矩形通道内精细化热工水力设计奠定了基础。
【图文】：

示意图,主要工作,示意图,矩形通道

图 1.1 本文主要工作示意图首先，根据研究目标和研究内容，对窄矩形通道内壁面热流特点进行研究，确定形通道内壁面热流分配模型的基本形式以及确定模型所需要的热工参数和实验参数对所需要的实验参数进行文献调研，总结前人的相关参数的获取方法，确定实验中获得物理量。其次，在理论分析建立壁面热流分配模型的基础上，，开展相关参数的实验研究。窄矩形通道实验台，然后在不同压力、入口过冷度、质量流速、加热功率的工况下窄矩形通道内的流动沸腾实验，研究过冷沸腾区域内的局部换热特性。借助可视化重点关注不同工况下过冷沸腾区域内汽泡的核化、生长、脱离、滑移及浮升等行为通过对可视化图像的处理，获得汽化核心密度、气泡脱离频率、气泡脱离直径和气升直径等统计学参数，与总结得到的关系式进行对比，结合主要影响因素，拟合经系式；或结合主要影响机理，将机理模型计算结果与实验结果对比，分析后修改计些参数的机理模型。最后，通过深入地机理分析，明确窄矩形缝通道内壁面热流分配特点进一步完善

示意图,实验回路,示意图,汽泡行为

第 2 章实验装置与实验方案实验装置与实验方案为了研究窄矩形通道内加热壁面上热流分配情况，势必要对通道中的汽泡行为进行研究，而观测汽泡行为实验方法的可靠性对后续的分析和讨论有着决定性的影响。因此本章将从实验装置、实验步骤、参数处理和不确定度分析这四部分对实验部分内容进行详细阐述，为后文的汽泡参数计算模型的获取和壁面热流分配模型的建立奠定坚实可靠的基础。2.1 实验装置为了研究窄矩形通道中的汽泡行为和壁面热流分配情况，本实验中采用了如图 2.1所示的实验回路，实验回路中主要包括三个部分：主循环回路，辅助循环回路和可视化实验段。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL33

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