运动条件下的环状流界面输运机制及模型

发布时间：2020-09-24 09:15

　　海洋核反应堆在海洋中受到风、浪、涌等影响,将产生倾斜、起伏和摇摆等一系列典型海洋运动,对核反应堆冷却剂的流动传热特性将有很大影响,而这种影响在堆内冷却剂两相流动中尤为显著。环状流作为气液两相流中的一种重要流型,是涉及与环状流相关的反应堆安全分析的基础。因此,准确掌握运动条件下堆内冷却剂处于环状流时的流动传热特性,对反应堆装置在海洋条件下的安全有重要作用。漂移流模型与两流体模型因其实用性与计算精度高,被广泛应用于两相流流动传热的计算。为了将漂移流模型与两流体模型用于获取运动条件下核反应堆冷却剂处于环状流时的流动传热特性,需完善漂移流模型与两流体模型在运动条件下相对应的界面输运模型。本文在空气-水两相实验系统的高速摄像环状流液膜测量的基础上,通过可视化图像处理,获得了环状流液膜特征,并讨论了液膜厚度与液膜波动特性的影响因素与变化规律;通过考虑气芯的夹带机制,工质的物性和气液流速,提出了液膜厚度的经验关系式,该关联式的预测精度在?20%以内;基于界面剪切扰动波的形成机制,考虑气液界面的不稳定以及受力平衡等因素,提出了剪切扰动波波高与波速的机理模型,与实验结果比较,预测误差均在?25%以内;考虑环状流液膜波动特性、液滴夹带与沉积,获得了环状流界面剪切力模型,模型的最大相对误差在±25%以内,能较好的预测不同模型计算得到的界面剪切力。根据漂移流速度的定义,结合一维动量方程,从理论上推导并获得了环状流的一维漂移流速度模型,模型与实验数据之间的误差在?25%以内;考虑运动条件下对两相流的影响机制,获得了运动条件下环状流漂移流速度的修正模型,并且模型与数值模拟结果较为吻合。基于文献中的可视化实验结果的再分析,获得了气泡聚合模型,包括气泡碰撞聚合模型与气泡尾涡夹带聚合模型。结合小尺寸气泡之间的相互作用机制(包括气泡碰撞聚合、尾涡夹带聚合与气泡湍动涡旋破碎),从理论上推导并获得了小气泡界面浓度输运源项,封闭了小气泡界面浓度输运方程;讨论了流道截面形状对小气泡界面浓度输运源项的影响,获得了矩形流道小气泡界面浓度输运方程,并通过MATLAB程序结合界面浓度实验数据对所得到的小气泡界面浓度输运方程进行了验证。考虑随机碰撞引起的气泡聚合和湍动涡旋引起的气泡破碎对于界面输运源项的影响,并考虑运动造成的界面浓度源项在截面上的不均匀性,采用不均匀分布参数来考虑运动造成的界面浓度源项截面不均匀性,得到了运动条件下一维界面浓度输运方程;通过在系统程序RELAP5中嵌入一维界面浓度输运方程,实现了界面浓度输运方程耦合两流体模型的求解,并通过实验数据验证了嵌入界面浓度输运方程的RELAP5程序的计算精度。基于RELAP5系统程序,发展了运动条件下的热工分析程序,并在该系统程序中嵌入和验证了运动条件的一维界面浓度输运方程。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TK124;TM623.2
【部分图文】：

示意图,气泡,示意图,界面浓度

种不同组分[49]，即如图1.1所示的小气泡（group one气泡）和大气泡（group two气泡）。图1.1 气泡分组示意图Fig. 1.1 Categorization of bubble groups基于上述两种不同的气泡分组，Ishii[85]提出了两套不同的界面浓度输运方程。小气泡界面浓度输运方程适用于气泡通过相互作用后仍然保持与之前相类似形状、大小的两相流系统，而大气泡界面浓度输运方程用于气泡通过相互作用后形状、大小变化较大的两相流系统。需注意的是，大气泡界面浓度输运方程中尽管不同组类的气泡的温度、压力相差不大，但是其对应的速度不同。因此，在采用大气泡界面浓度输运方程时，两流体模型中的质量、动量守恒方程需要进行修改。Sun[59]与Ishii[85]基于大气泡界面浓度输运方程，提出了修正的两流体模型。小气泡界面浓度输运方程是由 Wu 等[86]和 Kim[77]推导并建立。Wu 等在绝热条件中考虑三种气泡之间的相互作用，即随机碰撞引起的气泡聚合、尾翼夹带引起的气泡聚合和湍动涡旋引起的气泡破碎。将方程（1.3）简化后有：gg g

高速摄像系统,高速摄像

2.2 实验方法和手段2.2.1 高速摄像图2.2 高速摄像系统Fig. 2.2 High-speed videos system高速摄像法能够以很高的拍摄帧数对环状流的瞬态流动进行动态记录，并能够获得细致的环状流界面特征。因此，高速摄像法所获得的结果能为其他测量手段获得数据提供直观的现象解释，并且，这些现象是两相流模型假设的重要依据。本实验采用由高速摄像仪组成的可视化测量系统，结合可视化图片的后处理，旨在获取环状流中气液两相的相互作用机制以及气液两相界面特性。如图2.2所示为

环状流,液膜,高速摄影法

23图 3.1 环状流液膜特征Fig. 3.1 Characteristic of liquid film in 厚度模型状流液膜可视化图像处理环状流液膜厚度的测量，根据 Snoek 等[100]的学法与射线法。高速摄影法利用高速摄影对气录，然后对所得的图像及信号进行分析，也。高速摄影法能够以很高的速度对界面进行细致的结构，这是其它方法所不及的。鉴于像仪对垂直上升管气液环状流进行拍摄，通过

【参考文献】