空泡份额模型在矩形通道沸腾压降计算中的适用性评价

分析了各空泡份额模型随质量流量、系统压力及质量含气率的变化关系,并对各空泡份额计算模型在窄矩形通道内的应用进行了评价。研究结果表明:尽管空泡份额模型选取对重位压降及加速压降计算影响极大,但由于窄矩形通道内的饱和沸腾流动以环状流为主,重位压降及加速压降在两相总压降中的份额极小,因此在两相摩擦压降计算过程中,空泡份额模型的影响非常轻微。采用Zivi模型计算得到的沸腾摩擦压降与其他关系式计算值相对偏差在±5%范围内,因此建议采用Zivi模型计算窄矩形通道内空泡份额。     

摇摆运动下矩形窄通道内流动沸腾阻力特性

本工作对摇摆运动下水在矩形窄通道内流动沸腾阻力特性进行实验研究分析。一方面利用竖直静止实验数据对已有两相压降的计算方法进行评价,结果表明,应用于常规通道的关系式已不适用于窄通道中流动沸腾压降的计算,基于窄通道的Zhang-Mishima及Sun-Mishima关系式预测结果与实验值符合较好;另一方面得出了摇摆运动下流动沸腾阻力特性,摇摆运动使两相压降周期性波动,但摇摆角度和摇摆周期对压降的波动幅度、两相平均摩擦压降几乎无影响。     

适于窄缝流动沸腾传热的关系式

由于受窄缝间隙几何尺寸的限制，在加热的窄缝流道中沸腾气泡随着其长大和流动将受挤而变形，聚合，其表面张力的作用将大幅度改变，本文通过引入Bond无量纲数来考察窄缝流道的窄缝几何效应和气泡表面张力作用，修正了Chen沸腾传热关系式，并提出了相应的窄缝流动沸腾传热计算的关系式，通过与实验数据的验证比较，修正Chen沸腾传热关系式的计算结果与实验结果比较吻合，因此，该关系式能够用来预测在单面加热窄缝 道中的两相沸腾传热系数。     

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%。     

矩形流道中的传热与压降特性研究

随着高性能电子芯片的发展以及电路和其它紧凑系统的小型化，迫切要求开发与之相适应的高热流密度下高效的传热技术。为此，在矩形通道内以FC－84为工质，进行了单相强制对流、过冷沸腾及饱和泡核沸腾实验。实验段由五个平行的水平通道组成。各通道参数如下：水力直径Dh=0.75mm，长径比（L／Dh)=409.8，通道两面的热流密度相等。实验中主要调节参数包括质量流量、入口过冷度和热流密度。实验中测量了沿流动方向不同位置处的液相温度和壁面温度。基于测量向出的温度、压降和整个试验段的热平衡，计算出单相强制对流和流动沸腾的传热系数。实验中同时测量了单相及两相工况下的实验段压降，并推出了一个计算过冷沸腾及饱和泡核沸腾压降的关系式。此外本文还提出了适用于对冷沸腾及饱和沸腾的两个新的传热关系式。     

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.     

环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性实验研究

对环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性进行了实验研究。实验中质量流速G≤2 000kg·m-2·s-1,系统压力p≤0.1 MPa,热流密度q≤550kW·m-2。两相流动摩擦压降通过在相同质量流量的单相流动摩擦阻力系数的基础上引入两相摩擦倍增因子来考虑两相的影响。实验结果表明:环形通道内液态金属钠两相摩擦倍增因子随Martinelli参数的增大有减小趋势。综合本文实验数据、Lurie等的实验数据以及Kaiser等的棒束实验数据,拟合得到了计算液态金属钠沸腾两相流动摩擦倍增因子的关系式。计算了本文拟合得到的关系式与各组实验数据间的相对标准偏差(RSD),表明本文关系式适用于计算环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性。     

矩形窄缝通道内水沸腾流型理论研究

对矩形窄缝通道(1×20mm,2×20mm)中水沸腾的汽液两相流动流型转化准则进行了研究。根据实验结果,水平矩形窄缝加热通道中流型可以分为泡状流、间歇弹状流、搅拌流、环状流和汽液分离流。运用分相流模型对矩形窄缝通道中水沸腾的汽液两相流动流型进行了理论分析,得出了相应的流型转换准则,并与实验数据进行了初步比较,符合较好。     

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。      

自然循环系统摇摆条件下棒束通道内传热特性研究

棒束燃料元件子通道间流体存在搅混与横向二次流,流动及阻力特性相较矩形通道、圆管等简单通道更为复杂。核动力舰船、船舶、小型浮动核电站等会受到海浪影响,经常处于倾斜、摇摆、垂荡等瞬变运动下。目前的相关研究多集中在低压工况的研究领域,高温高压自然循环运动条件下的研究较少。本文采用实验研究方法,对自然循环系统摇摆条件下棒束通道内流动传热特性进行了研究,获得了过冷沸腾和饱和沸腾两种条件下摇摆角度和摇摆周期对棒束壁面温度变化和传热系数的影响,并获得了摇摆周期内棒束通道内的传热系数计算关系式。结果表明,饱和沸腾传热系数变化比过冷沸腾的剧烈;在本文实验工况范围内,棒表面传热系数波动幅值随着摇摆幅度的增大而增大;摇摆条件下棒束通道过冷沸腾和饱和沸腾工况时均传热系数基本不变。     

HFE-7100工质稳态临界沸腾传热实验研究

池沸腾临界热通量是沸腾相变传热的重要参数,决定了相变换热器件的推广应用。表面粗糙度和饱和压力对沸腾传热边界层分布、表面铺展润湿及工质动力学特性具有重要影响,进而对临界热通量作用显著。本文对HFE-7100工质在4种不同粗糙度的铜基表面（0.019、0.205、0.311和0.587 μm）条件及在不同饱和压力（0.07、0.10、0.15及0.20 MPa）工况下的池沸腾稳态临界状态下的传热及可视化实验进行了研究。对表面粗糙度及饱和压力对稳态临界沸腾的影响机制进行了分析,并考察了临界热通量预测模型对临界热通量的预测准确性。可视化研究表明,临界状态下的沸腾气液两相工质由小气泡、大气泡、气柱及蘑菇状气团组成,而在过渡状态下,沸腾表面会形成非平滑气膜,并不断分离出气泡。同时传热数据表明,表面粗糙度及饱和压力的增加能使表面临界热通量得到提升。相比而言,Bailey等建立的临界热通量预测模型能相对准确地预测HFE-7100工质沸腾临界热通量数据。为进一步提升预测准确度,建立了临界热通量无因次参数K预测经验关联式,其预测值与本实验及文献实验数据吻合较好。     

Two-phase flow and boiling heat transfer in two vertical narrow annuli

Experimental study associated with two-phase flow and heat transfer during flow boiling in two vertical narrow annuli has been conducted. The parameters examined were: mass flux from 38.8 to 163.1 kg/m² s; heat flux from 4.9 to 50.7 kW/m² for inside tube and from 4.2 to 78.8 kW/m² for outside tube; equilibrium mass quality from 0.02 to 0.88; system pressure from 1.5 to 6.0 MPa. It was found that the boiling heat transfer was strongly influenced by heat flux, while the effect of mass velocity and mass quality were not very significant. This suggested that the boiling heat transfer was mainly via nucleate boiling. The data were used to develop a new correlation for boiling heat transfer in the narrow annuli. In the two-phase flow study, the comparison with the correlation of Chisholm [Chisholm, D., 1967. A theoretical basis for the Lockhart–Martinelli correlation for two-phase flow. Int. J. Heat Mass Transfer 10, 1767–1778] and Mishima and Hibiki [Mishima, K., Hibiki, T., 1996. Some characteristics of air–water two-phase flow in small diameter vertical tubes. Int. J. Multiphase Flow 22, 703–712] indicated that the existing correlations could not predict the two-phase multiplier in the narrow annuli well. Based on the experimental data, a new correlation was developed.     

矩形窄通道内流动沸腾阻力实验与计算方法研究

基于换热器小型化的研究背景,对水在矩形窄通道内流动沸腾阻力特性进行了实验研究与分析,并利用实验结果对常规通道和窄通道的两相摩擦压降计算的6种方法进行了评价。结果表明,应用于常规通道的关系式已不适于窄通道中流动沸腾压降的计算,而基于窄通道的Zhang-Mishima及Sun-Mishima关系式预测结果与实验值符合较好。实验结果和理论分析表明,利用分相流方法得到的分液相摩擦因子计算式中Chisholm系数C与Martinelli参数X存在指数关系,且随着质量流速的变化也有所不同,据此给出了新的分液相摩擦因子的计算方法,新方法具有更高的计算精度。     

含内热源多孔介质通道内流动沸腾两相压降的预测

为预测含内热源多孔介质通道内流动沸腾的两相阻力压降,以Ergun方程为基础,定义了多孔介质通道的Chisholm参数Y和全液相折算因子Φ_l0。通过理论分析和实验数据测量,明确了出口质量含气率x_e、质量流速G和小球直径d等对参数Y和Φ_l0的影响,并提出1个Lockhart-Martinelli（L-M）类型的两相阻力压降关系式。与文献中的其他公式相比,本工作提出的公式对实验结果能做出更好的预测。     

窄矩形通道两相流动沸腾压降特性实验研究

实验研究了横向均匀和非均匀（多项式和正弦分布）加热条件下垂直矩形通道（2 mm×60 mm×1 000 mm）的沸腾压降特性，实验段为双面加热，有效加热面尺寸为56 mm×700 mm。工作流体为去离子水，通过改变入口压力和流量边界开展不同参数工况下的实验研究。结果表明，两相压降梯度随饱和压力的增加而减小，随质量流速的增加而增大，含气率对两相压降的影响与质量流速有关，横向功率分布形式对流动沸腾压降也有重要影响。基于均匀加热实验数据对现有的两相压降预测模型进行了评价，发现使用等效黏度假设的均相模型极大低估了实验值，且预测结果的分散度较大；分相模型中Müller-Steinhagen和Heck、Li和Wu关系式预测效果最好，平均绝对误差分别为11.8%和12.3%，且大多数预测值在±20%误差带内。本文基于Müller-Steinhagen和Heck关系式形式引入邦德数Bo考虑表面张力的影响，拟合得到新的预测关系式，该关系式对实验数据的预测误差在±8%的误差范围内。     

Experimental Study on Two-phase Flow Boiling Pressure Drop Characteristics in Narrow Rectangular Channel

The flow boiling pressure drop characteristics of a vertical rectangular channel (2 mm×60 mm×1 000 mm) were studied under transverse uniform and non uniform heating. The test section was double-sided heating with an effective heating area of 56 mm×700 mm. Three kinds of heating power distributions (uniform, polynomial and sinusoidal) were selected, and the working fluid was deionized water. A wide range of operating conditions was obtained by varying the inlet pressure and mass flux. The results show that the pressure drop gradient decreases with the increase of saturation pressure and increases with mass flux. The influence of vapor quality on two-phase pressure drop is related to mass flux, and the transverse power distribution has an important effect on the flow boiling pressure drop. Based on the experimental data of uniform heating, the existing two-phase pressure drop prediction model was evaluated. The homogeneous model using the equivalent viscosity assumption significantly underestimated the experimental values, and the data dispersion is relatively large. The Müller-Steinhagen and Heck and Li and Wu formulas are found to be the best with mean absolute errors of 11.8% and 12.3%, and most of predicted values are within ±20% error band. In this study, a new correlation based on the form of Müller-Steinhagen and Heck formula was proposed, and the Bond number Bo was introduced to consider the effect of surface tension. The prediction error of the new correlation for experimental data is within 8% error band.     

非线性振动下水平通道内气液两相流动研究

在地震等行为产生的非线性振动下，两相流体会影响回路传热并对装置结构进行冲击，因此对气液界面行为的把握对核安全具有十分重要的意义。本文通过将振动装置与两相流实验回路相结合的方法，对非线性振动下水平通道内气液两相流问题进行了实验研究。基于FLUENT平台，结合动网格模型及UDF编程手段建立了数学模型，并对数学模型进行验证。研究结果表明：模拟结果与实验结果具有很好的一致性；振动工况下气液两相流动形式不同于稳态工况，会出现更复杂的气液界面，主要流型有泡状流、弹状流、搅拌流、波状流及环状流；瞬时摩擦压降的波动幅度随振动幅度和频率的增大而增大，且与振动幅度相比，振动频率对其影响更大。     

环形通道内液态金属钠沸腾两相传热特性实验研究

对环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性进行了实验研究。实验中,系统压力为3.6~110.0kPa,热流密度为11~600kW·m~(-2),流速为0.02~0.45m·s~(-1)。实验结果表明,液态金属钠沸腾传热系数与壁面热流密度和系统压力有强烈关系,而与入口过冷度和质量流速无关。在本文实验数据基础上,拟合得到了计算液态金属钠沸腾两相传热系数的关系式,通过与各组实验数据间的比较,证明本文关系式适用于计算环形通道内液态金属钠沸腾两相传热系数。