竖直矩形流道中泡核沸腾起始点的研究

竖直矩形窄流道由于具有良好的换热效果和紧凑的结构而被广泛应用于工程领域。针对两个间隙分别为1.8 mm和2.8 mm的竖直矩形流道,以可视化的方法研究了过冷沸腾条件下进口温度、质量流速和流道高度对泡核沸腾起始点(Onset of Nucleate Boiling,ONB)的气泡成长和壁面过热度的影响。以去离子水作为工质,使用高速照相机拍摄气泡的成长过程并使用热电偶记录背板温度。发现两个流道中进口温度和质量流速对ONB点的气泡成长以及ONB点壁面过热度的影响一致;质量流速一定时,流道高度对ONB点的气泡成长无明显影响;流道高度对ONB点壁面过热度与面热流密度的关系无明显影响;ONB点壁面过热度与面热流密度的关系可以由文献中的经验关系式预测。     

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。     

竖直矩形窄缝通道内过冷沸腾传热特性的实验研究

以去离子水为工质,在进口压力为0.1~0.3 MPa、质量流速为200~1400 kg?m-2?s-1、热流密度为20~320 kW?m-2的参数范围内,对截面参数为50 mm×2 mm的竖直矩形窄缝通道展开了传热实验研究。实验获得通道内部工质由单相状态到过冷沸腾状态的传热过程曲线,将过冷沸腾段实验值与8个经验公式提供的预测值进行了对比与分析,采用相似原理以及回归分析法,建立了适用于竖直矩形窄缝通道的过冷沸腾准则关系式。研究结果表明,在竖直矩形窄缝通道内,热流密度对过冷沸腾传热具有主导作用;对于本实验的窄缝通道,Bertsch传热公式对于过冷沸腾段的预测效果相较于其他公式更好,本研究所建立的准则关系式与实验数据符合良好。因此,本研究建立的公式能够用于竖直矩形窄缝通道过冷沸腾传热系数的预测。      

水平矩形窄缝通道内水沸腾换热的实验研究

以去离子水为工质,在1.0～6.0MPa压力范围内,对大宽高比(1.0×60mm、1.8×60mm、2.5×60mm)矩形狭窄通道内两相沸腾的换热特性进行了实验研究.分析了压力、窄缝间隙、热流密度、质量流量、含汽率等参数对矩形窄缝通道内水的沸腾换热的影响,得到了矩形窄缝通道内沸腾换热经验关系式,与实验数据符合良好.     

竖直窄缝过冷沸腾实验模型及数值模拟

基于常压下竖直窄缝通道的过冷沸腾实验结果,提出了2 mm窄缝通道的壁面核化数值新模型,模型包括:汽化核心密度、气泡脱离直径、气泡脱离频率和核化起始点(ONB)关联式。分别采用新模型和CFX模型对典型实验工况进行数值模拟分析,模拟结果与实验的壁面温度和平均壁面温度结果吻合较好。详细讨论了2个模型中的3个主要关联式的差异,最后讨论了ONB模型对过冷沸腾数值模拟结果的影响。结果表明,考虑ONB模型的新核化模型能更准确地预测窄缝通道过冷流动沸腾传热特性。     

竖直窄矩形通道内沸腾换热系数的预测模型

对窄矩形通道内流动沸腾换热特性进行实验研究,拟合出沸腾换热系数计算关系式。使用不同的沸腾换热预测模型计算窄矩形通道的沸腾换热系数并将预测值与实验值进行对比,结果表明:各关系式预测窄矩形通道的沸腾换热系数,预测效果都不同程度地存在一些问题。根据Schrock-Grossman模型并以强迫对流沸腾换热原理为基础,建立了窄矩形通道沸腾换热系数的预测模型,与实验数据符合良好。     

低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性

为探究低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性，开展本实验研究。通过分析实验中采集的热工参数和可视化图像，探究了沸腾滞后现象、沸腾失稳现象以及沸腾换热特性。实验发现沸腾起始点壁面过热度较高，而沸腾的发生大幅提高了换热系数，因此出现了显著的沸腾滞后现象。实验中较为光滑的加热面可达到较高的过热度，而低压下快速产生的气泡尺寸较大，在较低的热流密度下气液界面发生剧烈变化，使气泡破裂为多个小气泡并成为核化点。在过冷沸腾换热系数的预测中，Dittus-Boelter对流换热关系式不再适用，采用Hallman关系式和Gnielinski关系式计算对流换热系数，并引入壁面过热度对池式沸腾换热系数进行修正，可使过冷沸腾换热系数的预测精度大幅提高。     

窄通道欠热沸腾起始点计算模型的分析

欠热沸腾起始点(ONB)是窄通道内沸腾传热的关键转变点,直接关系到其后的流动传热特性.窄通道内ONB点的产生受很多因素影响,目前对其特征的把握尚不完善.运用B&R模型、苏顺玉经验关系式、潘良明模型和杨瑞昌模型对以水为工质的ONB热流密度进行分析比较,得出其与压力、质量流速和壁面温度的关系曲线,进而根据各计算模型的差异,...     

窄通道流动沸腾换热特性实验研究

以40 mm×2 mm窄矩形通道中流动沸腾换热实验数据为基础,分析影响充分发展沸腾起始（FDB）点位置及换热系数的主要因素,并将实验值和计算值进行对比。FDB点实验值与Bowring模型和Saha-Zuber模型的计算值符合良好,相对误差在20%以内。将实验得到的窄矩形通道换热系数与Chen公式、Gungor-Winterton关系式和Sun Licheng关系式的计算值进行比较,结果表明：应用在常规通道的Chen关系式已不再适用于窄矩形通道传热系数的计算,而考虑窄通道尺寸效应并认为热流密度在饱和沸腾中起主要作用的Sun Licheng关系式与实验值较接近,相对误差在30%以内。     

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%。