丝网芯内钠薄液膜蒸发与毛细特性研究

高温碱金属丝网芯热管主要应用于核能、航空航天等领域。由于碱金属工质与常规低温工质在热物性上存在显著差异,且丝网芯热管内部运行机理复杂,碱金属工质在丝网芯表面的相变行为亟待研究。本文建立了以前驱膜理论和蒸发弯月面液膜理论为基础的丝网芯毛细蒸发薄液膜模型,考虑分离压力的电子分量与钠液膜热传导效应,对液态钠工质在丝网芯表面的毛细现象进行了分析,进而探究了不同运行参数对钠液膜传热传质与毛细特性的影响。研究表明,液态钠工质主要在本征弯月面内发生相变,运行温度通过改变工质热物性影响液膜的传热传质能力。丝网芯的动态调整能力与丝径和孔径等几何参数有关,通过改变液膜接触线位置,进而改变蒸发面积和三相接触线长度,从而影响丝网芯受力情况和传热传质能力,改变丝网芯表面液膜提供的毛细力。     

基于分子动力学理论界面传质的过冷沸腾汽泡生长特性研究

基于分子动力学理论的准平衡态界面处界面蒸发/冷凝因素,以及汽泡底部微液层传热因素建立综合传热传质相变模型,对窄通道内汽泡过冷流动沸腾条件下的生长情况进行模拟。相变模型体现了汽泡底部微液层蒸发、近壁过热液体传热、汽泡顶部主流冷凝等多方面机制对汽泡生长的影响。模拟结果体现了汽泡底部微液层厚度的变化情况,与实验结果相吻合;微液层蒸发机制在汽泡生长初期对汽泡生长有较大影响,流道壁面效应对汽泡生长有显著影响。     

竖管内蒸发降液膜流动的不稳定性分析

引入能量分析方法，探讨流动的惯性力、气液界面和管壁界面上的表面张力对波动薄液膜的作功机制，从物理上解随液膜流动雷诺数及拢动波长的拉以及液膜波动加剧的规律。分析表明：液膜蒸发条件下的热流率增加造成壁面毛细吸附力维持液稳定的作用降低是导致液膜断裂的主要原因。     

高温颗粒在液面下运动的蒸发阻力模型

在蒸汽爆炸的粗混合过程中,由于液体的快速蒸发,高温颗粒周围会产生一层很薄的蒸汽膜,此时高温颗粒周围的边界层流动与没有液体蒸发时有很大差别.因此,采用常温情况下颗粒在连续液体中运动时的阻力模型是不适用的.本文通过受力分析,考虑高温颗粒受力的分布及表面蒸发对颗粒运动的影响,提出了单个高温颗粒在液面下运动时的蒸发阻力模型.理论分析表明,蒸汽膜的厚度对阻力大小有很大的影响,在蒸汽膜的生长初期,除了相对速度较高的情况,蒸发阻力要大于一般阻力模型的计算值.计算结果表明,除非初始汽膜厚度或相对速度很大,否则计算高温颗粒在液面下运动的阻力时必须要考虑蒸发阻力.     

应用GOTHIC8.0程序模拟非能动安全壳冷却系统冷凝和蒸发现象的适用性研究

在非能动安全壳冷却系统（PCS）设计基准事故的排热过程中,安全壳内壁面蒸汽冷凝现象和安全壳外壁面水膜蒸发现象是两种非常关键的排热途径。本文应用GOTHIC8.0程序模拟了安全壳内壁面蒸汽冷凝和安全壳外壁面水膜蒸发传热过程,并通过蒸汽冷凝试验和水膜蒸发试验数据,对GOTHIC程序的模拟结果进行了分析和评价。研究结果表明：GOTHIC程序的蒸汽冷凝模型可较好地模拟蒸汽冷凝传热现象;水膜蒸发模型明显低估了水膜蒸发换热量,这对设计基准事故安全壳完整性分析是非常保守的,建议对GOTHIC程序进行适当开发,更好地模拟水膜蒸发换热过程。     

压水堆蒸汽发生器自由液面膜液滴产生情况估算

确定蒸汽发生器内液滴的来源信息至关重要,是汽水分离机理研究工作的基础。自由液面汽泡破裂产生膜液滴现象是蒸汽发生器内液滴重要来源之一。本文在验证单气泡破裂产生膜液滴模型正确性的前提下,围绕岭澳二期核电站压水堆蒸汽发生器进行建模,使用膜液滴产生模型估算单位时间内两相自由液面处汽泡破裂产生膜液滴情况,获得总体膜液滴产生情况,以及沿蒸汽发生器液面半径方向膜液滴初始参数,包括膜液滴数量分布、尺寸分布、速度分布、初始位置分布等。     

基于SIMPLEC算法的高温热管启动特性数值模拟

为研究高温液态金属热管的瞬态特性,开发了高温热管瞬态分析程序,程序可模拟高温液态金属热管自凝固状态启动过程中涉及到的复杂的相变、蒸气流动及气液交界面的传质传热特性。热管管壁与吸液芯区域采用纯导热模型,考虑了吸液芯内部工质的熔化和凝固以及气液界面的蒸发和冷凝。蒸气模型采用一维的尘气模型(DGM),该模型可精确描述热管启动过程中不同阶段的蒸气的运动特性。热管启动过程中蒸气为高度可压缩,因此蒸气速度与压力的求解采用可压缩流动的SIMPLEC算法进行计算。最后程序模拟了钠热管的启动过程,并与试验数据进行了比较。结果表明,程序模拟结果与试验数据符合较好。     

高温液钠在不锈钢丝网吸液芯中毛细特性研究

碱金属高温热管吸液芯的毛细特性对于热管的正常运行具有重要意义。本文采用毛细上升法和称重法在手套箱中开展了高温液态金属钠(简称液钠)在不同目数的304不锈钢丝网吸液芯中毛细特性的实验研究。实验获得了不同温度阶段下吸液芯毛细性能的变化规律,结果表明：在低于460℃阶段,吸液芯毛细性能提升有限,这是由于不锈钢表面Cr₂O₃氧化膜对液钠润湿性影响决定的。温度高于460℃之后,液钠与Cr₂O₃发生腐蚀反应,吸液芯毛细性能明显增强。且液钠对不锈钢表面氧化膜的破坏是不可逆的,在后续加热周期的温度变化阶段将保持最佳浸润性,吸液芯毛细特性将主要受到表面张力物性的影响,呈现随温度升高吸液芯质量下降的变化趋势。根据毛细理论并结合吸液芯结构建立了吸液芯毛细抽吸模型,降温阶段模型预测吸钠质量与实验值的误差在12%以内。     

应用GOTHIC8.0程序分析AP1000核电厂PCS传热传质过程

研究应用GOTHIC8.0程序分析AP1000核电厂非能动安全壳冷却系统(PCS)传热传质过程,通过理论计算和程序分析两种方式对分析结果进行比较和评价。研究结果表明:GOTHIC8.0程序的DLM-FM模型适用于模拟安全壳内蒸汽在安全壳内壁面的冷凝传热传质过程,Film模型适用于模拟安全壳外水膜的蒸发传热传质过程。GOTHIC8.0程序可用于分析AP1000核电厂PCS传热传质过程,为AP1000核电厂在设计基准事故(DBA)下安全壳响应分析提供了另一种可行的工具。     

基于多孔介质模型的钾热管数值模拟

为研究钾热管内传热传质机理,对钾热管进行了数值模拟。建立了固液气三相耦合数学模型。其中对吸液芯液体流动区域采用了多孔介质模型,该模型考虑了液体流动对热管传热性能的影响。利用PHOENICS3.6对数学模型进行数值计算,得到了热管内的稳态工作参数。分析模拟结果得到了钾热管内部各相工质传热、传质机理,并与试验数据进行了比较。结果表明,模拟结果与试验数据符合较好。     

高温热管内钠蒸发冷凝特性分子动力学研究

高温钠热管是热管堆中进行非能动热量传输的核心部件。为深入理解热管内工质钠的蒸发机理及气液交界的传热传质特性,用分子动力学软件LAMMPS模拟了600 K下钠的蒸发,统计了质量调节系数,定为0388 7。随后变更壁温,打破体系内热质输运平衡,进行非平衡态模拟,观察液膜变化,求解气液交界处的净蒸发通量和换热系数。结果表明,9～10 ns后,底部的液膜厚度、气液交界处的净蒸发通量及换热系数分别在01～052 nm、003～007 kg/(m2·s)、22～39 kW/(m2·K)范围波动,此时上部液膜厚度在6 nm左右,其气液交界的净蒸发通量在10-4量级,换热系数为0028 kW/(m2·K),至末期降为0003 5 kW/(m2·K)。本文为钠热管启动阶段的数值模拟提供了参考。     

An investigation of transition boiling mechanisms of subcooled water under forced convective conditions

A mechanistic model for forced convective transition boiling has been developed to investigate transition boiling mechanisms and to predict transition boiling heat flux realistically. This model is based on a postulated multi-stage boiling process occurring during the passage time of the elongated vapor blanket specified at a critical heat flux (CHF) condition. Between the departure from nucleate boiling (DNB) and the departure from film boiling (DFB) points, the boiling heat transfer is established through three boiling stages, namely, the macrolayer evaporation and dryout governed by nucleate boiling in a thin liquid film and the unstable film boiling characterized by the frequent touches of the interface and the heated wall. The total heat transfer rates after the DNB is weighted by the time fractions of each stage, which are defined as the ratio of each stage duration to the vapor blanket passage time. The model predictions are compared with some available experimental transition boiling data. The parametric effects of pressure, mass flux, inlet subcooling on the transition boiling heat transfer are also investigated. From these comparisons, it can be seen that this model can identify the crucial mechanisms of forced convective transition boiling, and that the transition boiling heat fluxes including the maximum heat flux and the minimum film boiling heat flux are well predicted at low qualities/high pressures near 10 bar. In future, this model will be improved in the unstable film boiling stage and generalized for high quality and low pressure situations.     

钠热管中气液交界质量调节系数的分子动力学研究

钠热管是热管堆内的关键热量传输部件,深入理解内部工质的蒸发与冷凝换热机理对于钠热管的设计优化具有重要意义。本研究用分子动力学软件LAMMPS,结合钠热管的启动和运行工况,模拟了600、700、800、900 K下液态钠薄膜的平衡态蒸发,求解了质量调节系数（MAC）。并在模拟中引入了氩气作为非凝结性气体,研究了非凝结性气体对MAC的影响。研究结果表明,4组工况下的MAC分别为0.388 6、0.211 9、0.261 5、0.241 6;非凝结性气体存在时,MAC分别为0.282 9、0.254 3、0.129 5、0.107 2。本研究为钠热管的数值模拟提供了参考借鉴和理论支撑。     

Simple heat transfer model for laminar film condensation in a vertical tube

A new physical model for estimating the liquid film thickness and condensation heat transfer coefficient in a vertical tube, considering the effects of gravity, liquid viscosity, and vapor flow in the core region, is proposed. In particular, for calculating the velocity profile in the liquid film, the liquid is assumed to be in Couette flow forced by the interfacial velocity at the liquid-vapor interface. The interfacial velocity is calculated using an empirical power-law velocity profile. The film thickness and heat transfer coefficient from the new model are compared with existing experimental data and the original Nusslet condensation theory. The new model describes the liquid film thinning effect due to the vapor shear flow and predicts the condensation heat transfer coefficient from experiments reasonably well.     

补水箱内的直接接触冷凝模型研究

补水箱是核反应堆安全系统中的重要设备。事故工况下补水箱内可发生剧烈的直接接触冷凝过程,导致补水箱内压力的迅速降低乃至振荡,影响补水箱的安全注入功能。为提高对补水箱安注行为预测的准确性,本文基于射流速度分布理论和假想管嘴分析方法,考虑液相的温度分层对传热温差的影响,结合补水箱内直接接触冷凝的一般过程,建立了针对性的冷凝传热计算方法。利用该模型对现有实验数据进行了预测,符合良好,初步验证了模型的有效性。相关研究有助于提高补水箱安注过程和相关事故安全分析的准确性。     

高温颗粒落入水中瞬态过程的数值模拟

以液膜质量、动量和能量守恒方程为基础提出了一个高温颗粒在冷却剂中运动的瞬态理论模型.由于高温颗粒在冷却剂中运动的瞬态复杂性,利用适合于求解大条件数的Gear算法对该模型进行了数值模拟.求解过程中采用自适应技术处理高温颗粒在冷却剂中运动时周围蒸汽膜不断变动的动边界问题,得到高温颗粒下落速度的理论计算值,并与实验值进行比较,得到了蒸汽膜的温度、厚度以及作用力等瞬态数值模拟结果.     

水平管内含空气蒸汽强制对流冷凝换热模型研究

为研究含空气蒸汽在水平管内强制对流冷凝换热特性,基于对传热传质过程的分析,建立了管内为环状流与波状流条件下的流动冷凝换热模型。从潜热、显热和液膜3个环节对整个换热过程进行建模,最终得到计算局部冷凝换热系数的理论关系式。模型预测结果与实验数据的对比表明,二者相对偏差在±20%以内,验证了该换热模型的准确性与适用性。通过进一步的研究发现：从换热管入口至出口,随着冷凝的进行,管内换热主要热阻由液膜热阻向气液界面的凝结热阻转变;主流气体对流换热过程基本可忽略。     

Investigation on condensation in presence of a noncondensable gas for a wide range of Reynolds number

A theoretical model has been developed to study the local heat transfer coefficient of a condensing vapour in the presence of a noncondensable gas, where the gas/vapour mixture is flowing downward inside a vertical tube. The two-phase heat transfer is analysed using an annular flow pattern with a liquid film at the tube wall and a turbulent gas/vapour core. The gas/vapour core is modeled using the analogy between heat and mass transfer. The model incorporates Nusselt equation with McAdams modifier and Blangetti model for calculating the film heat transfer coefficient, Moody and Wallis correlations to account for film waviness effect on gas/vapour boundary layer. The suction effect due to condensation, developing flow and property variation of the gas phase is also considered. A comparative study of heat transfer coefficient and vapour mass flow rate has been made with various models to account for condensate film resistance and condensate film roughness. Results show that for very high Reynolds number, the condensation heat transfer coefficient is higher than the film heat transfer coefficient.