自然循环过冷沸腾流动和CHF的实验研究

为了研究自然循环过冷沸腾条件下流动不稳定性和临界热流密度 ( CHF)的影响因素及其规律 ,以氟里昂作工质 ,在系统压力为 0 .9～ 2 .4MPa,入口过冷度为 -0 .61～-0 .0 8K,加热功率为 1.2～ 13 k W实验条件下 ,对自然循环过冷沸腾流动不稳定性和 CHF进行了实验研究。实验结果证实 ,自然循环系统内可能发生两类流动不稳定性 :高频声波型脉动和低频密度波型脉动。流动不稳定性的发生与整个系统的几何结构及总加热功率有关 ,而 CHF则主要取决于局部的流动参数和加热热流密度。得到了判断系统流动不稳定性的发生界限。修正的 Bowring关系式可以可靠地用于预测自然循环过冷沸腾条件下的临界热流密度     

Experimental Analysis on Non-thermoequilibrium in a Natural Circulation System(Ⅱdynamic)

给出自然循环系统中欠热沸腾及闪蒸的动态分析及实验结果。实验在清华大学核能技术设计研究院的５ＭＷ核供热堆模拟实验回路ＨＲＴＬ－５上完成。采用带有质量、蒸汽质量、能量及动量守恒方程的一维两相流漂移模型分析ＨＲＴＬ－５中的流动不稳定性。通过时域动态分析方法，给出了以加热功率—进口欠热度平面表示的流动稳定边界。研究表明热力学非平衡态，即在加热段中的欠热沸腾及上升段中的空泡闪蒸，在自然循环低压低干度条件下对流动稳定性有很大的影响。计算结果与实验值吻合得很好。研究结果对丰富和发展两相流及两相流稳定性理论，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。     

超临界二氧化碳的自然循环流动特性

为了探究超临界二氧化碳(sCO₂)自然循环的流动特性,在系统压力为7.6～10.2 MPa和加热段入口温度为16～33℃的宽参数范围内,进行了sCO₂自然循环流动特性实验研究,详细分析了加热段入口温度、系统压力、回路结构、冷热段温差等对循环特性的影响,并将实验结果和理论模型结果进行比较.结果表明:sCO₂自然循环的稳态质量流量随加热功率的提高先快速增加,达到峰值后开始缓慢降低;加热段入口温度、系统压力、回路结构、冷热段温差均显著影响sCO₂自然循环的质量流量.理论模型的计算结果和实验结果一致,验证了理论模型的准确性.该结果可为设计高效的sCO₂自然循环系统提供参考.     

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。     

自然循环静态流量漂移诱发动态流量振荡研究

为探讨两相流及流动稳定性理论及工程问题,通过实验研究描述了自然循环静态流量漂移及静态流量漂移过程中出现的动态流量振荡现象;研究了在自然循环系统中流量发生漂移时系统循环流量,加热段进出口温度的变化规律。结果表明欠热沸腾所引起的流动阻力变化是导致静态流量漂移的主要原因;在发生静态流量漂移时系统循环流量下降,进口温度下降及出口温度上升;随着静态流量漂移的发展,欠热沸腾逐渐强烈,伴随着静态流量漂移系统内同时发生具有密度波及喷泉不稳定特点的动态流量振荡。在对现象描述的基础上,阐述了静态及动态流量不稳定发生的机理。研究结果证明在自然循环中静态流量漂移将会诱发动态流量振荡。     

密度核反馈条件下低压自然循环两相流动稳定性实验

为了研究核供热反应堆主回路自然循环两相流动稳定性，考证了具有密度－核反馈耦合条件下两相流动的热工水力学行为。在热工实验回路ＨＲＴＬ－５中引入了反应堆中子动力学模拟系统。以实测冷却剂密度作为其输入参数，以中子动力学模拟系统的功率输出通过ＨＰ－３８５２５控制器对系统电加热功率进行实时控制，实验研究了不同工况条件下自然循环两相流动的稳定性。研究结果表明，核反馈耦合条件下系统中出现很低欠热度不稳定性区，反馈系数大小、测量系统和元件动态响应特性对自然循环两相流动稳定性有重要影响。     

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。     

过冷核态池沸腾的分形模型

本文提出过冷核态池沸腾热传递的分形模型,根据加热表面活化点的分形分布得到了过冷核态池沸腾热流密度的表达式.从该模型中发现过冷流动沸腾热流密度是壁面过热度、流体的过冷度、流体的接触角与流体物理特性的函数关系,并且没有增加新的经验常数.对不同的过冷度,模型预测的结果与实验数据进行了比较,两者是极好的吻合.     

卧式螺旋管汽液两相压力降脉动试验研究

在宽广的参数范围内试验研究了卧式螺旋管内汽液两相压力降脉动，获得了均匀加热条件下压力降脉动的周期，振幅特性及脉动发生的界限，并首次研究了沿流动方向不均匀加热条件对卧式螺旋管内压力降脉动的影响规律；给出了压力降型脉动发生的界限预报关系式，为汽液两相流动不稳定性的进一步研究和螺旋管式热交换器及锅炉反应器的设计，开发提供了依据。     

矩形窄缝流道流动过冷沸腾起始点的实验研究

通过高速摄像可视化观察并结合基础传热数据采集 ,给出了模化工质在中压条件下 ,竖直矩形窄缝流道内过冷流动沸腾起始点的实验结果。讨论了影响矩形窄缝流道内过冷流动沸腾起始点的各因素 ,在Bowering关系式的基础上 ,考虑质量流速和压力对过冷流动沸腾起始点的影响 ,使用多元线性回归的方法 ,得到了关于矩形窄缝流道过冷流动沸腾起始点的修正关系式 ,与实验数据进行比较 ,误差范围为± 30 %。     

低质量流速垂直并联内螺纹管中两相流不稳定性试验研究

针对600 MW超临界"W"火焰锅炉低质量流速水冷壁所采用的内螺纹管及锅炉设计参数,在高压汽水两相流试验台上进行了垂直并联内螺纹管中两相流不稳定性的试验研究,并观测到了压力降和密度波两种形式的脉动.在试验参数范围内就系统压力、质量流速、进口过冷度、上游可压缩容积、出口节流度和不对称加热对两相流不稳定性的影响进行了研究和分析.试验表明,在垂直并联内螺纹管中,压力降型脉动出现在干度较低的水动力曲线负斜率段,为两管整体脉动,而密度波型脉动出现在干度较高的正斜率区域,呈管间脉动.同时,根据试验结果,采用均相流模型得到了不稳定发生的界限关系式,为超临界锅炉低质量流速垂直并联内螺纹管水冷壁的设计与安全运行提供了依据.     

过冷沸腾中热声振荡驻波自激形成的实验研究

借助工程信号处理的时域和频域方法,详细分析了竖直管内过冷沸腾中热声振荡特性,获得了热声振荡驻波自激形成与主流过冷度的关系．实验表明,当主流过冷度较大时,过冷沸腾声振荡具有多频性;随着过冷度的下降,多频的声振荡逐渐在管道长度方向上发展为具有单一高频的热声驻波;当过冷度下降到致使加热面接近饱和沸腾时,空泡群脉动所致低频压力波动将取代高频热声振荡驻波．在此基础上,提出了验证热声振荡驻波形成与否的相关判断原则,它可方便地应用于过冷沸腾传热工况的诊断之中．     

平板滞止区内R-113的喷流沸腾临界热流密度

对高温平板滞止区内R-113的喷流冲击沸腾的临界热流密度(CHF)进行了系统的稳态实验研究.考察了过冷度、流速、喷流直径等流动条件对喷流沸腾CHF的影响,建立了预示CHF的经验型方程,方程中的参数指数和系数由实验数据拟合得到.研究结果表明:过冷液体喷流冲击沸腾的CHF取决于过冷度、滞止冲击速度和喷流直径;得到的经验式能较好地预示实验结果.     

自然循环两相流系统压降特性研究

两相流压降特性是两相流稳定性研究中的重要特征参数，不同类型的不稳定有不同的压降特性与之对应。本文在清华大学核能技术设计研究院的５ＭＷ热工水力模拟实验台架上对自然循环条件下两相流压降与系统流量的关系进行了实验研究。对自然循环和强迫循环流动中压降流量特性进行了比较。实验发现在发生振荡时，压降与流量反相，加热段入口欠热度保持不变。在压降流量相图上，振荡呈现为逆时针方向周期６ｓ的极限圈。     

脉动热管启动过程的实验研究

为了使电子设备在启动过程中具有更好的稳定性,采用控制恒定热流密度和冷凝温度的方法对平板开槽型脉动热管的启动过程进行了系统的实验研究．实验发现:在特定工况下,启动过程中脉动热管管内工质会突然剧烈沸腾,此时脉动热管蒸发段温度突然降低,冷凝段温度突然升高,广义热阻突然降低．针对本实验装置,存在一个使脉动热管启动迅速而且达到稳定运行状态时广义热阻最小的最佳充灌率(50%)、最佳管体倾斜角度(50°)和最佳加热功率(28．5 W)．热管冷却段冷却水流量对脉动热管启动性能影响较小．     

回路脉动热管稳定运行理论模型的建立与分析

运用热力学和流体力学的分析方法建立简单回路脉动热管稳定运行的理论模型.分析显示,稳定循环时,系统循环体积功用于克服系统循环耗散功,而系统循环耗散功(热)与热管传热量呈一定关系.通过关联蒸发段与冷凝段的流动和传热,工质初始参数,热管几何参数以及运行参数,对传热和流动进行耦合求解.结果表明,稳定运行充液率xv范围为10%～80%,稳定传热功率随蒸发段进口温度tel和蒸发段温升Δte的升高而增大,其中,温升的影响大于蒸发段进口温度的影响;充液率在30%～50%之间时,存在极限传热功率;传热量中的显热份额随蒸发段进口温度和温升的提高而降低,但不随充液率变化.     

平直通道中层流脉动流动的数值模拟

对不可压缩脉动流动的流动和换热特性进行了数值模拟研究.当脉动频率较低时,充分发展的振荡速度分布类似于稳态的抛物形分布,而频率很高时,脉动的影响显现出来并且体现在靠近壁面的狭窄区域内.在脉动流动下,入口段的长度值发生类似正弦方式的波动,其相位和振幅受脉动频率的影响,壁面摩擦系数也发生正弦规律的变化,其相位和振幅也与脉动频率有关.另外,脉动对于壁面的换热也有一定影响,随着频率的增大,流体的脉动对于换热的影响逐渐被局限在加热段上游.研究结果表明,脉动流动的摩擦损失和换热特性与稳态流动的截然不同,对于处在非定常流动工况(如振荡流动)下的热系统部件的优化设计,需加以认真考虑.     

HTR-10 蒸汽发生器密度波不稳定性分析

１０ＭＷ高温气冷实验堆（ＨＴＲ－１０）的蒸汽发生器为直流型、小盘管组件式结构,盘管弯曲半径小,工作压力为中压范围,由此而带来两相流体流动的不稳定性问题是ＨＴＲ－１０蒸汽发生器研究的主要问题。介绍了用Ｋｈａｂｅｎｓｋｙ等方法分析ＨＴＲ－１０蒸汽发生器的密度波不稳定性。分析了入口欠热度、入口节流度、加热功率、质量流量、系统压力、热负荷及出口蒸汽干度等对ＨＴＲ－１０蒸汽发生器密度波脉动的影响。分析表明在ＨＴＲ－１０蒸汽发生器设计工况下不会发生密度波脉动。     

3mm闭式脉动热管传热性能的实验研究

为了研究大管径脉动热管的传热性能,设计并搭建了一种闭式脉动热管传热性能的测试装置,管道内径为3mm,由此实验研究了该装置在加热功率为0~90W范围内的传热性能,通过对冷凝段壁面温度波动特性进行分析,研究了不同加热方式对脉动热管传热性能的影响。结果表明:充液率为27.5%~67.5%时,脉动热管具有较好的传热性能,加热功率为90W时,各充液率下的热阻值均在0.4℃/W以下;当加热段的输入功率变化(加热功率以波动的方式输入)时,脉动热管的热阻大于对应的以恒定功率加热时的热阻,两者之间的差值随着加热功率的增大而减小;加热功率突变且超过启动功率时,脉动热管很快启动,但达到稳定需要较长的时间,而采用渐进的加热方式时,脉动热管在短时间内即可达到稳定。加热功率较小时推荐采用较小的充液率,加热功率较大时充液率的选择应综合考虑工质的热容量和传热特性。     

自然循环两相流动不稳定性的判别准则

针对两相自然循环流动不稳定性的特点，建立了一个集总参数模型．通过无量纲化、小扰动及理论分析，得到了两相自然循环流动不稳定性的判别准则．结果与文献符合较好．