方管流道内气液两相流流动与传热特性实验研究

发布时间：2020-07-31 13:46

【摘要】：包层是聚变反应堆中实现氚增殖、中子屏蔽、热量传递的重要部件,包层的热工水力设计直接决定了聚变堆的传热效率和安全运行。在正常工况下,将依靠包层传热系统的强迫循环流动,将聚变堆核能转化为热能并传递给气轮机;在事故工况下,包层系统主泵不可用时,将依靠包层传热系统的自然循环流动,带走聚变堆衰变热量,以缓解事故后果。故本文针对聚变工程背景下的包层方形流道强迫循环条件下和自然循环条件下的流动和传热问题,进行系统的实验研究,为包层的热工水力设计和安全分析积累经验和提供数据支持。本研究首先根据实验台架的理论设计,确定相关部件型号和技术参数,搭建热工水力实验平台并完成实验回路调试。研究发现相比于常规圆形管道,方管的过渡区Re数范围为1800-3000。这是由于方形流道边角区易产生漩涡和二次流,破坏层流层流,使得从层流向湍流转化提前,并且过渡区更窄。在层流区,层流时摩擦系数的实验结果与Shah-London关系式及理论计算值符合得较好;在湍流区,方形流道的尺寸越小,阻力系数越大。在Re数较大的时候,方管的湍流阻力系数大于圆管,这是由于方管边角漩涡引起的局部阻力较大引起的。对于传热规律,在层流区和湍流区,方管单相传热系数均大于圆管。而在同条件下的自然循环和强迫循环,由于自然循环浮升力影响,造成竖直加热管道截面速度分布趋势更平坦,形成较低的速度梯度,削弱了湍流输运效果,不利于换热,使得自然循环传热强度降低。在方形流道的过冷沸腾实验研究中,ONB点位置可以通过壁面热电偶温度脱离线性变化的位置来判断。热流密度越高,越有利于过冷沸腾的产生;质量流速越大,压力越高,越不易产生过冷沸腾。在相同条件下,过冷沸腾的传热系数大于单相强制对流传热系数,这是由于气泡的扰动,增强传热效果的结果。通过对实验数据的处理,可以得到ONB点发生时壁面热流密度,壁面过热度及ONB点产生位置的实验关联式。并根据过冷沸腾的温度分布规律,建立数学模型,提出过冷沸腾传热系数的计算方法。相比强迫循环,自然循环传热效果较弱,造成在较低的壁面热流密度条件下就发生ONB。在方形流道内的饱和沸腾实验研究中,壁面热流密度、压力对传热系数影响较大,含气率对实验结果影响较小,方形流道沸腾传热以泡核沸腾传热机理为主。热流密度提高,饱和沸腾气化核心数量会增加,气泡脱离的频率也会加快;系统压力升高,气泡的脱离直径会减小;提高压力和增加热流密度可以提高沸腾传热系数。在自然循环饱和沸腾区域内,会发生流动不稳定性现象,由于自然循环传热强度低和脉动引起的传热效果变差,会导致自然循环饱和传热系数也低于强迫循环饱和沸腾传热系数。在含气率较高的环状流区域,随着液膜的蒸干,会发生第二类沸腾危机(干涸)。通过实验可以发现随着入口流量的增大,进口含气率的减小,干涸点会发生延迟。需要同时考虑入口工况和当地工况对干涸发生的影响,得到强迫循环条件下的干涸点判据。对于自然循环系统,由于压降,流量,含气率之间存在强烈的耦合关系,会发生流动不稳定性。压力的增大,流动不稳定性起始点(OFI点)发生滞后,临界流量增大,临界功率增大,波动的幅度减小,临界含气率增大;进口过冷度越大,流动不稳定性起始点发生滞后,临界流量增大,临界功率增大,波动的幅度减小,临界含气率增大;阻力越大,自然循环临界流量减小,临界功率减小,波动的幅度减小,临界含气率增大。通过时间域上的傅里叶级数拟合和频率域上的频谱分析得到脉动发生的周期,并发现压力越大脉动周期越小。通过实验分析,得到最终的不稳定边界图,最后根据相似原理和π定律,得到不稳定性边界预测模型。综上所述,相比于强迫循环,在单相区域、过冷沸腾区域和两相沸腾区域,自然循环的传热强度更低,并且自然循环流动不稳定性也会提前发生。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL33
【图文】：

，、领域：聚变反应堆仍然处于研究阶段。与裂变堆相比较，聚变堆有很多优点：（１）逡逑海水中富含氘元素，聚变燃料资源丰富。（２）反应不产生长寿命放射性裂变产物。逡逑（３）高放废料少。（４）固有安全特性高等。逡逑近些年来，聚变实验研宄和理论研宄都取得了很大的进展，然而在进行聚变逡逑堆商业运行之前还需要大量的研[偣ぷ鳎郾涠寻阆喙丶际蹙褪瞧渲凶钪匾腻义弦彩潜匦虢饩龅募复笾匾诵募际踔弧０闶蔷郾浞从Χ阎械闹匾考哂绣义弦韵鹿δ埽海ǎ保┦迪蛛暗脑鲋常熘凶佑氚憷锏碾霸鲋臣磷饔貌鷏#，实现氚的逡逑自持。（２）实现能量的传递，将堆芯热量传导给包层里面的冷却剂，并最终传导逡逑给气轮机转化为可直接利用的电能。（３）屏蔽作用，屏蔽快中子，包容放射性物逡逑质，屏蔽热量，防止热量传入磁体系统。逡逑在各种聚变包层的设计中，水冷包层具有中子慢化效果好、载热能力强、资逡逑源丰富的特点被国际聚变界重视，并成为ＩＴＥＲ实验包层计划主要候选概念之一。逡逑而对于聚变堆包层里面的流道，在国内外的各类包层的设计中，大部分都采用矩逡逑形流道的形状，如中国聚变工程实验堆（ＣＦＥＴＲ）水冷包层的流道设计（如图逡逑１．１－１、图邋１．１－２邋所示）ｔ１－２］。逡逑Ｂｒｅ？ｄｉｎ？Ｚｏｎ＊＊邋ＴｏｔｏＳＩＴＪ逡逑

速度分布,壁面,强迫循环,矩形管道

通过前面文献的描述，对于强迫循环条件下的矩形管道单相阻力特性和传热逡逑特性研究，主要关心阻力系数、对流传热系数、转捩数等几个方面的问题，逡逑但是对于不同的高宽比的矩形，其转捩雷诺数也不同，但基本上都是矩形管道的逡逑转捩数更小（低于２３００）；有的研究认为矩形流道的阻力系数和传热系数可逡逑以用经典经验关系式计算；有的研宄与经验关系式偏差较大。对于自然循环条件逡逑下的矩形管道单相阻力特性和传热特性研究，其自然循环流量是加热功率的函逡逑数；浮升力带来的截面速度分布变化可能会对阻力系数和对流传热系数产生影逡逑响；有的研究认为自然循环条件下矩形流道的阻力系数和传热系数可以用强迫循逡逑环经典经验关系式计算，有的研宄的结果则与强迫循环关系式计算结果偏差较逡逑大，难以得到统一的结论。逡逑１．２．２过冷沸腾特性逡逑（１）强迫循环逡逑过冷沸腾是处于单相流动和沸腾状态中间的过渡区域，此时主流温度低于饱逡逑，。一

速度分布,壁面,强迫循环,矩形管道

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