竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明，汽泡在核化点生长时，汽泡底部与加热面存在一小的接触面，总体而言，汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下，不同核化点处汽泡生长规律基本相同，但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小，脱离时间较长，可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内，统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随入口欠热度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随主流速度的增加，汽泡平均脱离直径减小。     

过冷沸腾通道内截面汽泡平均直径预测模型研究

通道内截面汽泡平均直径是计算两相流相间界面传递方程以及计算汽液相界面浓度的重要参数。综合考虑过冷沸腾工况下汽泡动力学、两相热力学以及汽泡聚合效应对通道内汽泡尺寸的影响,提出过冷沸腾通道内截面汽泡平均直径预测模型。将该模型与实验数据进行比较,预测值与实验值偏差±12.5%。     

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。     

窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内垂直上升流过冷流动沸腾区域汽泡脱离频率进行可视化实验研究。结果表明,汽泡脱离频率随质量流速的增大而减小,随入口过冷度的增大而减小,随热流密度的增大而增大。将实验数据与文献中汽泡脱离频率计算模型进行比较,发现基于池式沸腾和饱和流动沸腾开发的计算模型不能准确预测过冷沸腾区域汽泡脱离频率。本文以无量纲参数的形式,分别用液相雷诺数、过冷雅各布数和核态沸腾热流密度表示质量流速、主流过冷度和热流密度对汽泡脱离频率的影响,获得矩形窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率预测关系式,关系式的平均预测误差为±17.1%。     

矩形窄缝通道内滑移汽泡直径沿轴向分布特性实验研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内过冷流动沸腾滑移汽泡直径沿轴向分布特性进行可视化实验研究。实验捕获滑移汽泡沿加热面滑移并聚合的过程图像,并获得沿加热面轴向300、400、500 mm处滑移汽泡直径概率分布图。实验研究表明,窄缝通道中滑移汽泡直径沿轴向分布呈增大趋势;滑移汽泡沿加热面生长、滑移汽泡与未完成生长脱离的小汽泡的聚合,以及滑移汽泡间的聚合是滑移汽泡直径沿加热面轴向增大的重要原因。     

矩形窄缝通道近壁汽泡滑移和浮升可视化实验研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面拍摄、观察矩形窄缝通道内近壁汽泡滑移、浮升运动,发现在加热面倾斜朝上和竖直向下流动沸腾时汽泡易于浮升。汽泡浮升后,其运动速度迅速增加。由于浮升汽泡处于过冷流体中,其界面上发生冷凝,导致汽泡界面形状变化较大。基于可视化实验结果,从受力角度分析不同流动方式和加热面放置方式对近壁汽泡滑移和浮升的影响。     

竖直窄矩形通道内过冷沸腾传热模型

通过引入池式沸腾-流动沸腾汽泡脱离直径比对沸腾抑制因子S进行了修正,并将修正后的S引入Lee-Mudawwar过冷沸腾CHF模型,通过结合竖直窄矩形通道内的汽泡行为进行分析,建立了适应于竖直窄矩形通道的过冷流动沸腾传热模型,探讨了影响过冷沸腾传热系数的主要因素,并通过将模型预测值与实验值进行对比,验证了模型的可靠,表明当前模型可用于计算竖直窄矩形通道内的过冷沸腾传热特性。     

摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径实验研究

以去离子水为工质,可视化研究了矩形窄缝通道内不同质量流速下摇摆运动对汽泡脱离直径的影响。研究结果表明,由于摇摆运动引起的局部流场波动,汽泡生长过程变得不稳定,且汽泡脱离直径在一定范围内波动,这种效应会随质量流速的增大而减弱。线性拟合发现,摇摆角位移为0°时,汽泡脱离直径有最小的趋势。     

摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径模型构建及分析

在静止条件下汽泡脱离直径预测模型的基础上,引入摇摆条件引起的瞬变外力场,构建了摇摆条件下汽泡脱离直径预测模型,通过实验数据进行验证,结果符合较好。通过受力分析发现,摇摆运动引起的浮力波动必须予以考虑。模型计算发现：角位移θ=0°时,汽泡脱离直径最小;而质量流速越大,这种趋势越不明显。如果系统存在5%以上的流量波动,则其对汽泡脱离直径的影响必须加以考虑。     

水平矩形小尺度通道气泡脱离直径预测模型

为预测水平矩形小尺度通道内气泡脱离直径，以研究其泡核沸腾传热特性，采用力学方法对加热壁面附壁气泡进行力学分析，构建了一种基于受力平衡的气泡脱离直径预测模型。采用可视化实验的方法对其进行验证，结果表明，模型预测结果与实验数据之间的平均相对误差为±13.52%，该模型具有良好的气泡脱离直径预测准确度。      

文丘里式气泡发生器内气泡输运过程研究

利用可视化方法研究文丘里式气泡发生器内气泡的输运和破碎过程。实验以水和空气为工质,水流量范围为15～20 m³/h,气流量范围为0.6～0.7 L/min,空泡份额在0.2%～0.3%之间。结果表明：不同于常规通道,气泡在从文丘里管喉部流出后具有一个明显的减速过程,使得气液相对速度随之增加,该减速过程对气泡变形和破碎存在极大影响;水流量对气泡的破碎位置无明显影响,气泡破碎位置通常发生在渐扩段距喉部8～10 mm左右的范围,处于壁面涡流区与主流的交界附近。     

文丘里式气泡发生器气泡碎化特性研究

熔盐堆在运行过程中须不断地去除氙等气体裂变产物。熔盐堆除气系统中气泡发生器的作用是通过向回路中注入一定量的直径为0.5 mm的小气泡,在扩散作用下吸收熔盐中的氙,最终气泡被分离出来,达到除氙的目的。在橡树岭国家实验室设计的基础上,本文为钍基熔盐研究堆设计气泡发生器,并在专门建造的水回路中对其工作特性进行了可视化研究。利用高速摄像系统跟踪气泡的运动和碎化过程,分析气液相流速对碎化后气泡尺寸的影响。结果表明：在实验条件下,当气体流量一定时,气泡尺寸随液体流量的增大而减小;当液体流量一定时,气泡尺寸随气体流量的增加而增大。     

文丘里式气泡发生器渐扩段内单气泡输运过程研究

文丘里式气泡发生器渐扩段的流场结构、流动参数等对气泡制备性能起关键作用，因此，对具有矩形截面的文丘里通道渐扩段区域单气泡输运过程进行了可视化研究。分析发现，渐扩段气泡剧烈减速及变形过程对气泡最终的断裂和破碎起关键作用。气泡的减速过程虽只持续数ms时间，依然呈现加速减速和降速减缓两个明显阶段；气泡旋转过程呈现相似的变化规律。在液体流量2.4～6.9 m³/h范围内，对应最大旋转速度可达900～3 000 rad/s。气泡旋转过程持续时间较减速过程稍长，气泡最大旋转速度的位置出现在最大减速加速度位置的下游约2 mm处；液体流量和气泡尺寸对气泡旋转和变形过程有明显影响，液体流量越大或气泡尺寸越小，气泡旋转过程越剧烈，且旋转速度在更短距离内达到最大值；增大液体流量在一定范围内加剧了气泡的拉伸变形。这些可视化研究结果，为进一步揭示文丘里气泡发生装置内气泡的碎化机制、完善数值分析模型、优化设计等提供参考和帮助。     

不同系统压力下汽泡生长特性及压力影响机理分析

为了探讨系统压力变化对窄流道内汽泡生长的影响,在不同系统压力(0.1～1 MPa)下采用高速摄像仪对2 mm竖直矩形窄流道内的汽泡生长进行可视化研究.研究表明,发现在0.1～0.3 MPa下汽泡的生长主要在核化点处进行,但在较高压力(Ps≥0.6 MPa)时汽泡生长主要是在滑移中进行,汽泡的尺寸也显著减小;由于汽泡行为发生变化,不同系统压力下加热壁面上的换热状况有着很大区别.用拉普拉斯数(La)和时间因子(ξ)分别对汽泡半径和汽泡生长时间进行无量纲化后,无量纲汽泡生长曲线遵循指数曲线变化;指数曲线的系数七随系统压力升高而减小.     

Model Development for Bubble Turbulent Diffusion and Bubble Diameter in Large Vertical Pipes

Multi-dimensional analyses have been expected recently with expanding computation resources for gas-liquid two- phase flow analyses of advanced nuclear systems such as passive safety systems and natural-circulation-type reactors. However, the applicability of previous constitutive equations for multi-dimensional analyses has not been fully investigated especially for the effects of flow path scale because the equations have been assessed for small-scale experiments. In this study, we analyzed the scale effects by the multi-dimensional two-fluid model code using data in 38 mm and 200 mm diameter pipes. We clarified a key-parameter to model the scale effects and developed models for the effects on phase distribution. The scale effects can be classified by the relative relationship between bubble diameter d_b and turbulent length scale l_T . Bubble-induced turbulence is increased under that d_b is smaller than l_T and bubble coalescence is predominated rather than breakup under that l_T is about three times larger than d_b and under higher void fraction. Based on these findings, we established new models for bubble turbulent diffusion and bubble diameter. The applicability was promising through assessments against the 38 mm and 200 mm pipes under different flow rates and against databases for 60 mm, 100 mm and 480 mm pipes.     

低含气率条件下文丘里管气泡发生器内气泡碎裂过程研究

借助影像处理软件PFV和图像处理软件Image-Pro Plus,详细分析了高速摄像仪获取的文丘里管气泡发生器内气泡的输运及破碎过程。研究表明:文丘里管气泡发生器内气泡的破碎过程存在2个明显的不同阶段;气泡在扩张段入口处存在明显的减速过程,且在减速过程中存在3种主要的形变过程;气泡的减速过程对气泡的碎化存在重要影响;气泡在扩张段的迅速减速,造成了气-液之间的运动速度差迅速加大,极大强化了气-液之间的相互作用,致使在扩张段较大直径的气泡迅速碎裂成大量的微小气泡。     

Bubble noise at magnetic flowmeters

The effect of bubbles in the liquid flow on the output signal of magnetic flowmeters is theoretically and experimentally investigated. In the theoretical model the bubble noise is due to the superposition of single pulses generated by individual bubbles which are randomly distributed in the liquid. On the basis of this model the rms value of the bubble noise is found to be proportional to the void fraction, and inversely proportional to the square root of the bubble flowrate. Owing to electromagnetic forces the factor of proportionality depends on the imposed magnetic field. The theoretical results are verified by experiments in sodium test loops.     

汽泡滑移现象及质量流速和热流密度对汽泡滑移生长的影响

以去离子水为工质,对较高系统压力下竖直矩形窄流道内的汽泡生长特性进行可视化研究.由于单位体积潜热的提高,系统压力升高将抑制汽泡的生长,使得在相同生长时间内汽泡的尺寸大幅减小;随着系统压力升高,汽泡在核化点处的生长时间会明显地缩短.压力较高时,汽泡生长主要是在滑移过程中进行,滑移过程中,会间歇性地离开又再附上加热壁面;汽...