摇摆条件下窄矩形通道内流动不稳定性研究

发布时间：2020-10-13 17:49

　　 核推进以其能量密度大、续航能力强等优点而广泛应用于船舶动力领域,如核动力舰船、核动力商船以及海洋核动力平台等。由于受船舶核动力装置的空间限制,具有紧凑结构的板状燃料元件和换热器的布置是必要的。海洋条件会引起冷却剂发生周期性波动,当出现不稳定性时,二者相互作用使得系统呈现更加复杂的流动形态。本文主要针对摇摆条件下窄矩形通道内的流动不稳定性开展了全面的实验研究和非线性分析。以去离子水为实验工质,开展竖直静止及摇摆状态下窄矩形通道内的低驱动压头强迫循环流动不稳定性实验研究。静止实验中观察到了密度波脉动(DWO)、压力降脉动(PDO)以及Ledinegg不稳定性,获得了本论文的流动不稳定性起始点(OFI)预测关系式和流动不稳定边界,并与常规通道和微通道内流动不稳定性机理进行对比。随着质量流速的逐渐降低,摇摆工况依次出现了单相波动、波谷型脉动、耦合型脉动以及两相波动。其中波谷型脉动是典型的摇摆诱发的两相不稳定性,其形成机理是波谷处的剧烈产汽,耦合型脉动是摇摆引起的热工水力脉动与PDO之间的叠加。从波动幅度、频谱特征以及流型对摇摆条件下强迫循环流动不稳定性的演化特性进行分析,并将其分为摇摆占优区、共振耦合区以及热工水力占优区。对竖直及摇摆条件下窄矩形通道内的自然循环流动不稳定性进行实验研究,其结果表明竖直自然循环工况会出现静态流量漂移现象和DWO,系统压力的增加或入口过冷度的降低会导致流量漂移被削弱直至消失。通过由相变数(Npch)和过冷度数(Nsub)组成的二维相空间中确定DWO的边界,结果显示DWO的范围较广,且在本实验参数范围内压力(p = 0.1～0.3MPa)对其边界的影响不明显。实验研究还表明摇摆运动会导致自然循环工况OFI提前发生,但却引起耦合型脉动的滞后,这是由于波谷型脉动是由冷却剂波动诱发的,而耦合型脉动则是以DWO的发生为前提,且受摇摆剧烈程度的影响。在本论文参数范围内,摇摆参数对OFI的影响不明显,但随着摇摆剧烈程度的增加,耦合型脉动起始点滞后现象越来越明显。摇摆引起的空间位置变化使得自然循环静态漂移现象提前发生,即系统的自然循能力限和输热能力限会减小,随着摇摆角度的增加,这种减小的程度越大,但摇摆周期的影响不明显。此外,摇摆诱发的逆流现象使得入口水温出现波动,且导致了系统流动不稳定性提前发生,从而大大降低了系统的安全阈值。通过快速傅里叶分析(FFT)和小波分析,分别从频域和时频域研究了摇摆工况下热工水力系统的频率结构特征及其分布特性,其结果表明摇摆对应频段的能量出现先增加后减小的非线性趋势,这是因为在耦合共振区域摇摆运动与热工水力脉动之间的共振作用使得信号波动加剧,而随着热流的增加,热工水力因素明显占据优势,系统阻力和驱动力的增加使得摇摆的影响被削弱。通过相空间重构、刻画吸引子结构以及计算关联维数、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指数等几何特征量对摇摆条件下的流动不稳定性进行非线性分析,分析结果表明随着热流密度的增加,系统的非线性程度逐渐增加并最终趋于与静止工况一致。在热流密度较低的单相区域内摇摆参数对系统非线性程度的影响较小,而在波谷型脉动和耦合型脉动区域,摇摆强度的增加会减小系统的无序程度。此外,基于非线性理论,分别从驱动力和耗散力间的竞争关系以及系统熵变的角度分析了摇摆对热工水力系统流动不稳定性的影响机理。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL33
【部分图文】：

哈尔滨工程大学博士学位论文??过程中可保证测压管内流体温度不受实验段加热的影响。??（１）实验段??如图２．２所示，实验段为典型的窄矩形通道（矩形窄缝），不锈钢材质，其名义??尺寸为２ｍｍｘ４０ｍｍｘｌ〇〇〇ｍｍ，通过将高频直流电源直接加载于流道本体使其发热。??实验本体主要由窄矩形流道、绝缘云母板及不锈钢承压壳组成，其中云母板保证流??道与承压壳之间绝缘并减少散热损失，在实验本体两端通过带聚四氟乙烯垫片的法??兰使本体与回路保持绝缘。另外，在实验本体外部包裹热绝缘层，以减小本体热量??散失并保证实验段热平衡。在实验段外壁面安装６个Ｎ型热电偶，距离实验段入口??分别为ｘ／Ｄ／＾３７、８２、１４１、２０４、２４５、３１１，在实验段的两端，通过插入铠装热电??偶分别测量出、入口的流体温度。此外，在实验流道的宽边壁面设置有测压孔Ｐ１、??Ｐ２和Ｐ３，其距离实验段入口分别为ｘＡＤ／＾５２、２５９、３〗８，实验过程中测量Ｐ１和Ｐ２（Ｚｌｐ，＿２）??以及Ｐ２和Ｐ３之间的压降（２＿３。??

第２章实验装置及实验方案??动机构??为一个２．５ｍｘ２ｍ的矩形平面，如图２．３所示，整个热工水平台上从而实现同步运动，具体的细节参照文献［６４］。摇回路的垂直中轴线重合，两者通过螺栓螺母连接在一起，，整个摇摆平台及实验回路可绕轴线做摇摆运动，当平台处于垂直状态。??逆时针运动?１?顒时针运动??’

第２章实验装置及实验方案??２．２．２实验方法??（１）强迫循环流动不稳定性实验。??对于强迫循环下的流动不稳定性实验而言，通常有两种实验方法，一种定流量、逐渐增加实验段的加热功率，另一种则是定实验段的热流密度、逐渐降道的入口流量。前者由于加热过程中阻力的变化以及自然循环的影响，实验段口流量会出现变化。如图２．４所示，单相区域系统的入口流量随加热功率的增化较小，随着沸腾的发生，通道入口流量逐渐增加，而当系统发生Ｌｅｄｉｎｅｇｇ不性（ＬＥＤ）时，流量则发生了骤降。基于单…变量的原则，本文故不采用此方法。者通过变频器改变主泵的转速从而减小入口流量，使用此种方法不但避免了其量的引入，同时还获得／通道的热工水力特性曲线（Ｄｅｍａｎｄ?ｃｕｒｖｅ），为常见的流动不稳定性类型判定提供参考。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 种道彤;刘继平;严俊杰;;矩形通道内置加热板混合对流的实验研究[J];西安交通大学学报;2006年07期

2 种道彤;刘继平;严俊杰;周志杰;;垂直矩形通道内混合对流的实验研究[J];工程热物理学报;2006年05期

3 云和明;程林;王立秋;;流体变物性对细矩形通道流动和传热的影响[J];工程热物理学报;2008年11期

4 罗磊;陈文振;陈志云;郝建立;;水平加速条件下矩形通道内冷却剂温度与流场分析[J];原子能科学技术;2011年06期

5 王艳林;陈炳德;黄彦平;王俊峰;;平行窄隙矩形通道间脉动演化过程的实验研究[J];核动力工程;2011年05期

6 陈志云;陈文振;罗磊;郝建立;;摇摆条件下矩形通道内冷却剂温度与流场分析[J];原子能科学技术;2012年03期

7 刘宇生;谭思超;高璞珍;袁其斌;;矩形通道内脉动层流流场特性理论研究[J];原子能科学技术;2012年11期

8 曾德越，马重芳，秦文新，孙东良;矩形通道内强化表面的传热研究[J];北京工业大学学报;1994年01期

9 朱祚金，刘明侯，陈义良;旋转矩形通道中粘性流动的数值模拟[J];推进技术;1995年06期

10 黄军;黄彦平;王秋旺;马建;;纵向涡对窄间隙矩形通道内流动边界层作用特性研究[J];核动力工程;2010年S1期

相关博士学位论文 前8条

1 余志庭;摇摆条件下窄矩形通道内流动不稳定性研究[D];哈尔滨工程大学;2016年

2 金光远;摇摆对矩形通道内两相流动阻力特性影响的研究[D];哈尔滨工程大学;2014年

3 王畅;周期力场作用下矩形通道内流动与传热特性研究[D];哈尔滨工程大学;2013年

4 唐新宜;矩形通道内流动与强化传热的实验与数值研究[D];华南理工大学;2012年

5 张勋;结合AMTEC的小型自然循环快堆的关键技术研究[D];华北电力大学;2015年

6 赵鹏程;小型自然循环铅冷快堆SNCLFR-100一回路主冷却系统热工安全分析[D];中国科学技术大学;2017年

7 吴磊;一体化自然循环反应堆一回路自然循环及稳压特性研究[D];清华大学;2016年

8 张文超;摇摆条件下自然循环流动不稳定性混沌特性分析及预测[D];哈尔滨工程大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 谢凯利;小尺度矩形通道内碳氢燃料流动及强化传热研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 王莉;涡发生器强化矩形通道传热性能的实验研究[D];青岛科技大学;2016年

3 董浩然;滴形涡发生器强化矩形通道传热与流动特性研究[D];青岛科技大学;2017年

4 董相禄;摇摆条件下窄矩形通道内流动传热的大涡模拟[D];重庆大学;2012年

5 陈冲;摇摆对窄矩形通道内传热特性的影响研究[D];哈尔滨工程大学;2014年

6 邱志方;矩形通道内的混合对流实验与数值研究[D];上海交通大学;2009年

7 宫园园;涡发生器强化竖直矩形通道传热流动性能数值研究[D];青岛科技大学;2015年

8 刘丽芳;矩形通道中柔性平板的窄频大幅振动特性研究[D];华北电力大学（北京）;2011年

9 陈勇;摇摆条件矩形通道内流体传热特性研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

10 刘宇生;矩形通道内脉动流流动特性研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

本文编号：2839492