蒸汽发生器二回路过冷沸腾的数值模拟

为深入研究核电蒸汽发生器二回路侧汽液两相的沸腾传热和流动特性,采用RPI模型对过冷沸腾区域壁面的热流分配进行划分,以此修正CFD程序中的两流体模型,并利用文献中的实验结果验证了修正后模型的适定性.最后以大亚湾压水堆核电站为例,采用该模型对蒸汽发生器内二回路预热段单元通道内的过冷沸腾进行计算,获得了通道内流体空泡份额、速度、温度、热流量分配等的分布情况.     

Experimental Analysis on Non-thermoequilibrium in a Natural Circulation System

给出自然循环系统中欠热沸腾及闪蒸的分析及实验研究结果。实验在５ＭＷ核供热堆的模拟实验回路上完成。分析采用了四方程一维两相流漂移模型。用Ｃｌａｕｓｉｕｓ－Ｃｌａｐｅｙｒｏｎ方程计算上升段中汽泡闪蒸起始点。进口欠热度及系统压力作为变化参数。为了便于比较，也给出了仅采用饱和沸腾模型的结果。研究表明欠热沸腾及空泡的闪蒸对空泡分布及系统循环流量有很大影响，且系统压力越低，欠热沸腾及闪蒸的影响越大，在很宽的进口欠热度条件下加热段中只发生欠热沸腾。计算结果与实验值吻合得很好。此研究结果对于丰富和发展两相流理论，对自然循环两相流系统，特别是对以自然循环方式运行的低温核供热反应堆有重大意义。     

水平管顶部破口入口蒸汽含汽率

以高压汽液两相流为工质，采用γ射线衰减技术，在西安交通大学高压汽液两相流实验台架上进行了水平管顶部破口入口蒸汽含汽率的实验研究，对高压饱和水的γ射线衰减规律的标定表明，其质量减弱系数基本上为常数，获得了破口入口蒸汽含汽率与无量纲数ｈ／ｈｂ的关联式。发现在水平管破口入口区域，由于两相工质的加速引起的Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ效应，导致破口入口压力有较大的降低，这一点对预测流过破口的临界质量流速影响较大。     

地面模拟微重力下两相流动沸腾换热的分析

从加热面方向角、流动速率、过冷度、绝对压力等几个方面对地面上模拟微重力下两相流动沸腾换热的条件进行了分析．认为当沸腾试验段入口流动速率、过冷度、绝对压力及外加热流密度等相同时,在流速达到一定值后,如果向上与向下流试验段出口处的温度、压力、含汽率等基本一样,两者换热系数大致相当,且试验段沿程各点壁温无突变、试验段出口含汽率满足保证核态沸腾正常进行所必须的下限等,那么就构成了地面模拟的条件．     

地面模拟微重力下两相流动沸腾换热的分析

从加热面方向角、流动速率、过冷度、绝对压力等几个方面对地面上模拟微重力下两相流动沸腾换热的条件进行了分析，认为当沸腾试验段入口流动速率、过冷度、绝对压力及外加热流密度等相同时，在流速达到一定值后，如果向上与向下流试验段出口处的温度、压力、含汽率等基本一样，两者换热系数大致相当，且试验段沿程各点壁温无突变、试验段出口含汽率满足核态沸腾正常进行所必须的下限等，那么就构成了地面模拟的条件。     

垂直上升内螺纹管中高压汽-水两相流截面含汽率的测量

利用四头内螺纹管构建了水平绝热管和垂直绝热管组合元件,在压力为11.3、14.2、21.5 MPa,质量流速为250~1 200kg/(m2·s),热负荷为50~300kW/m2的范围内,采用压差替代法对内螺纹管内垂直上升流动的高温、高压汽-水两相流进行了截面含汽率的测量,并分析了系统参数对截面含汽率的影响。与经典公式的计算结果对比发现,Zivi模型和我国电站锅炉水动力计算标准与试验数据相差较小,其中Zivi模型与文中试验数据误差小于15%。基于试验数据,分压力拟合了体积含汽率经验公式,与试验值相比绝大部分点的相对误差小于15%,在高干度区相对误差小于10%。研究结果表明,基于压差替代法,采用所提模型可以对垂直内螺纹管内高温、高压汽-水两相流体参数进行有效测量。     

气缸盖冷却水腔内两相流动沸腾传热仿真研究

采用计算流体动力学软件CFX,考虑气缸盖内冷却水的热力学相变特性,应用汽液两相流过冷沸腾换热计算模型,对不同影响因素下由柴油机气缸盖与冷却水腔组成的流固耦合传热系统进行了整场离散、整场求解,得到了不同影响因素下气缸盖火力面温度场分布;通过与试验结果的对比分析,证明了仿真计算结果的有效性。研究结果表明:与单相流不考虑沸腾换热相比,考虑汽液两相流的过冷沸腾换热能够有效降低气缸盖火力面的最高温度,提高冷却水的进口速度,降低进口温度;适当减小冷却系统的压力,可以进一步有效降低气缸盖火力面温度,减小气缸盖火力面的热负荷。该结果可为进一步研究柴油机气缸盖的沸腾冷却及可控性提供参考。     

气空间中不凝结气体对自然循环流动沸腾的影响

为了研究不凝结气体对反应堆安全的影响，在清华大学核能技术设计研究院５ＭＷ热工水力实验台架上研究了气空间中有不凝结气体存在时自然循环两相流稳定性的变化。实验发现：在气空间中有很高的氮气分压情况下，即使冷凝器投入运行，系统仍可能出现沸腾和两相流振荡，汽液交界面的温度可达到气空间总压对应的饱和温度，蒸汽分压在气空间中存在不均匀分布。这些现象的研究对压水反应堆变工况运行有重要意义。并对汽液交界面的Ｓｔｅｆａｎ流现象进行了理论分析。     

求解两相蒸发和冷凝问题的气液相变模型

为了更精确简单地求解两相流中的蒸发和冷凝问题,基于FLUENT中的流体体积(VOF)方法提出了一种气液相变模型,该模型适应于两相中一相为非饱和相,即处于过热或过冷状态,另一相为饱和相,即处于饱和状态.该气液相变模型中:非饱和相导热系数和比热容为真实的物性参数;假设饱和相导热系数等于0,饱和相比热容等于非饱和相比热容;界面处相变率仅由非饱和相决定,最后,通过一维Stefan问题相界面位置的分析解和二维膜态沸腾气相体积比的精确解,验证了该相变模型的精确性和可行性.文中工作为该相变模型的推广应用奠定了基础.     

竖直环管内低压水过冷沸腾数值模拟

采用Unal机理模型修正高压工况下气泡脱离直径的Tolubinsky关系式,并以基于有限元的有限容积法的CFX5.7为基本框架,通过添加用户程序实现了低压环管内水过冷沸腾的数值模拟.针对Lee的实验工况分析了过冷沸腾网格无关性的依据,研究了非曳力包括升力、湍流耗散力、壁面润滑力对径向空泡份额分布的影响,验证了模型在宽广工况范围内的适用性.计算表明:当进口过冷度及质量流速较小时,会在出口截面近壁面区域形成空泡份额的峰值,而进口过冷度或质量流速较大时则不会在出口截面近壁面区域形成空泡份额的峰值,这一点是与实验结果相一致的;液相流速的预测值与实验值较为接近,而气相流速预测值在加热面附近与实验值偏差较大.     

汽液两相流中的声速研究

导出了汽液两相流系统中的波数Ｋ方程。假设在特定的空泡份额下发生流型转化，分别采用不同的表达式计算泡状流及环状流区域相间界面面积及界面摩擦切应力，并提出计算弹状流区域相间界面面积及界面摩擦切应力的经验方法，通过解傅里叶边界层导热主获得界面热负。作者们编制了计算程序，在压力Ｐ＝０．０７～１６．０ＭＰａ，空泡份额ａ＝０～１．０，角频率ｗ＝１～１０＾８Ｈｚ的参数范围内进行了计算。将低压声速ａ的部分计算结果     

固-液接触角对池内核态沸腾换热特性的影响

摘要： 在考虑固-液接触角影响的半理论沸腾换热模型的基础上,将沸腾换热特性表达为过热度、固-液接触角和物性参数的函数;通过图解法推导出考虑固-液接触角影响的沸腾换热特性的预测关系式;利用无壁面毛细力影响的平坦金属表面或金属表面镀膜加热面在不同饱和压力条件下的饱和水实验数据,获得了适用于不同饱和压力和     

高温平板滞止区内饱和水喷流沸腾传热最大热流密度

对高温平板滞止区内饱和水喷流冲击沸腾的临界热流密度进行了理论解析和实验研究。根据气液两相流稳定性理论得到了气泡层下最大液膜底层厚度，并由最大液膜底层厚度和液膜平均流速，建立了一个预示临界热流密度的半理论方程。方程系数由稳态实验数据拟合得到。研究结果证明，临界热流密度取决于滞止冲击速度和喷流直径，半理论半经验式能较好地预示实验结果。     

含油纳米制冷剂沸腾中气相与液相之间球形纳米颗粒的迁移特性

为了评估纳米制冷剂的沸腾传热效果以及球形纳米颗粒在制冷系统中的循环能力,采用称重法实验研究了纳米制冷剂沸腾中气/液相间球形纳米颗粒的迁移特性,重点考察球形纳米颗粒种类和粒径、制冷剂种类、润滑油浓度、热流密度和初始液位高度对球形纳米颗粒迁移特性的影响.结果表明： 球形纳米颗粒迁移率随球形纳米颗粒密度或粒径的减小而增大;制冷剂的动力学黏度越小、密度越大,其在完全蒸发时的球形纳米颗粒的迁移率越大;球形纳米颗粒的迁移率随润滑油浓度的增大而减小,随热流密度的增大而减小,随初始液位高度的增加而增大.     

R12在水平管内流动沸腾换热实验研究

本文对R12在水平管内流动沸腾换热特性作了实验研究。实验结果表明,管内流动沸腾换热与单相对流换热一样,存在热进口效应,国外早期的实验数据由于未能考虑热进口效应而偏大。实验结果还表明,水平流动沸腾周向不均匀换热主要受流动结构影响;截面平均换热系数则与质量流速、热流密度、质量干度和蒸发压力密切相关。分析实验数据证实,流动沸腾换热是由气泡产生而引起的流动充分发展核态沸腾和双相对流蒸发两部分组成的。本文的实验数据与国外已有的换热关系式能较好吻合。     

缩比非能动余热排出热交换器管外过冷池沸腾实验研究

搭建了缩比非能动余热排出热交换器C型管实验模型,利用导热油作为管内加热介质,脱盐水作为管外冷却介质开展了一系列传热实验。根据壁温及脱盐水主流温度判断在加热过程中出现明显的温度分层现象并经历自然对流、过冷池沸腾最终达到饱和池沸腾。对存在过冷池沸腾阶段的几个代表性时刻对应上、下水平及竖直段单元分别进行传热计算并与文献经验公式进行比对,验证了Rohsenow饱和沸腾经验公式和McAdams自然对流经验公式的适用性,针对过冷池沸腾阶段实验热流密度与Rohsenow过冷沸腾公式的偏差,采用多自变量自定义非线性拟合方法得到了更准确的加权公式。     

螺旋管内高压汽水两相流传热恶化规律的研究

报导了在西安交通大学高压汽水实验回路上进行的垂直螺旋管内汽水两相流传热试验研究，试验得出了沿螺旋管长度方向及圆周方向的壁温分布特性，由此确定了发生传热恶化的临界干度及其位置，在试验数据的基础上，得到了计算临界干度的经验公式，为螺旋管圈换热设备的设计提供了必要的依据。     

混合冷剂在竖直矩形小通道内上升流沸腾换热模拟

为研究板翅式换热器流道内混合冷剂沸腾换热规律,建立了竖直矩形小通道内混合冷剂沸腾换热数学物理模型;基于理论推导的汽液相界面交互深度确定方法,采用CFX双流体模型模拟分析了混合冷剂在竖直矩形小通道内上升流沸腾换热规律,并与文献已有经验关联式进行对比分析. 结果表明:由于混合冷剂物性影响,沸腾换热系数随干度增大而降低;由于对流沸腾和核态沸腾换热机理共同作用,沸腾换热系数随质量流率、热流密度增加而增大;同时,模拟与经验关联式对比结果表明,Lazarek换热关联式计算结果与模拟吻合较好,其误差在±15%以内,将其应用于估算竖直矩形小通道内混合冷剂沸腾换热系数具有较高可靠性.      

脉冲加热下微尺度表面流动沸腾

利用微机电系统(MEMS)加工技术,在梯形微通道内集成特定形状(60 μm×100 μm)的Pt微加热器,通过改变脉冲加热电压及水的流速,采用高速摄像机观察并记录微加热器表面的流动沸腾现象,根据脉冲宽度2 ms下不同流速及热流时微加热器表面的核态沸腾及膜态沸腾现象得到了沸腾流型图.结果表明：在一定流速条件下,随着微加热器的热流增加,核态沸腾及膜态沸腾相继出现在微加热器表面,且核态沸腾开始向膜态沸腾转变;同时,增加水的流速,可使微加热器上发生核态沸腾及膜态沸腾所需的热流量增大.