垂直上升矩形流道内气液两相流流型图的数值模拟

两相流流型在分析换热、流动不稳定性以及临界热流密度方面具有基础性作用.本文基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,对垂直上升矩形流道内气液两相流动进行数值模拟,表观气速0.1～110 m/s,表观液速0.1～3.2 m/s.得到了流道内气液两相流的主要流型:泡状流、弹状流、搅混流和环状流,分析了流道内截面含气率分布与流型的对应关系,以及截面含气率与气液两相流容积含气率的关系;分析了各种流型下的压降分布特性,并绘制了基于气液表观动能通量的不同流量下气液两相流的流型图,直观的表示出各种流型的分布区域及各流型间的流型转换边界,与已发表文献的实验结果对比符合较好.     

水平矩形管内气-液逆向流动特性实验研究

为探明管截面尺度及排气水深对水平矩形管内气-液逆流特性的影响，以空气和水为两相介质，对管长2 m、管截面尺寸106?mm×60 mm的矩形管分别在横置、竖置条件下和1 、3 m水深下进行了可视化流动实验。结果表明:管截面高度尺度对气-液逆流特性具有显著影响，在相同的管道流通面积下采用较高的流道高度会大幅强化水平管内液相倒流，从而有利于冷凝水由热段顺利回流至堆芯进行冷却；采用管截面高度作为气相及液相Wallis参数中的特征尺寸，可使不同管截面尺寸矩形管的无量纲逆流特性获得统一表征；在水深1~3 m范围，水深变化对水平矩形管内气-液逆流特性的影响并不明显。提出了预测水平矩形管内气-液逆向流动特性的无量纲实验关联式。      

AP1000稳压器波动管竖直管段空气-水CCFL实验研究

使用竖直管代替波动管模型开展稳压器波动管竖直管段内空气-水两相逆流限制（CCFL）特性可视化实验研究。实验现象表明:竖直管与上容器接口处的局部CCFL决定了进入竖直管内的液相流量；竖直管内的局部CCFL决定了从竖直管流出的液相流量；两处局部CCFL均随空气流量的增大而增强。在较低气量情况，进入竖直管内的液相能够完全或大部分流出，竖直管内的局部CCFL较弱，上容器和竖直管接口处的局部CCFL在整体CCFL中占主导地位，整体CCFL程度随着上容器液位升高而略有增强。在高气量情况，从上容器进入竖直管的液相大部分或者完全被限制而不能向下流出，竖直管内的局部CCFL强烈，在整体CCFL中占主导地位，整体CCFL特性不受上容器液位变化的影响。通过实验数据拟合得到了新的稳压器竖直管CCFL模型。稳压器波动管CCFL数据和稳压器竖直管CCFL数据基本重合，表明波动管CCFL主要由CCFL-U决定。      

基于CFD方法的高温热管特性研究

高温热管运行特性的分析与预测,对热管设计和应用具有重要意义。为分析高温热管内两相流动传热特性,首先建立钠热管的计算流体力学（CFD）分析模型,并对模型计算值与钠热管稳态实验数据进行对比校核,模拟结果与实验测点温度的绝对误差小于40℃,相对误差在5%以内;其次,利用本文模型与方法对不同传热功率和倾角下的热管内部流场特性进行分析研究。研究表明,均匀加热条件下,蒸气腔内的速度在蒸发段接近线性变化,而在冷凝段,气体流速减小致使压强回升,同时,蒸气的流动压降和速度随加热功率增加呈下降趋势;在热管水平和倾角运行工况,热管内两相流动压降中液相压降均占主导;而气液间剪切效应中,气体流动速度为主导效应。本文模型可为热管堆等高温热管应用领域提供热管设计与分析方法。      

反应堆压力容器下降段水-蒸汽CCFL实验与模型研究

为探究反应堆压力容器下降段在喷放末期冷段安注过程中的水-蒸汽逆流特性,建立下降段逆向流动限制(CCFL)模型,开展了基于压力容器模化本体的下降段CCFL实验研究以及建模分析。通过实验研究获得了不同入口安注水流量、安注水过冷度、堆芯蒸汽流量等条件下的下降段环腔内的安注特性数据,并基于实验数据进行了CCFL建模分析。结果表明,开始发生CCFL的蒸汽无量纲流速与入口安注水无量纲流速呈现正相关,基于无量纲流速建立的模型斜率与入口安注水无量纲流速呈现高度指数关联。本文建立了适用于从不发生CCFL至不完全CCFL,再到完全CCFL的下降段水-蒸汽气液逆流全过程预测模型。     

水平管内气-液两相泡状流的混沌特征

运用相空间重构法,对实验测得的局部空隙率信号时间序列进行处理,计算出水平管内气-液两相泡状流系统的局部空隙率信号的Kolmogorov熵和关联维数.计算结果表明,气-液两相泡状流系统具有非线性混沌现象;系统普遍存在2～3个分维;随着折算液速的增加,系统的混沌程度下降;Kolmogorov熵和关联维数沿径向的分布呈波动特征;在r/R＝0.6～0.85区域,系统的混沌程度较高.     

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。     

垂直上升管内对流沸腾瞬态数值模拟及其两相流不稳定性预测

核电站蒸汽发生器二次侧为两相对流沸腾换热过程,在设计过程中须保证其不发生两相流不稳定性。本工作采用时域法对垂直上升管内两相流不稳定性进行研究,建立了垂直上升直管内流动沸腾过程的一维模型,并编制计算程序。采用该程序模拟了流动沸腾过程气液两相流密度波的不稳定性,给出两相流波动过程瞬态参数分布,由此分析了密度波不稳定发生的机理,并分析了质量流速、系统压力、入口过冷度对不稳定的影响。结果表明,与已有实验及理论结果相比,瞬态参数计算结果与实验结果符合较好,可较好找到不同工况下直管内气液两相流发生不稳定的边界,结果优于Khabenski线算图方法。     

竖直圆管内超临界二氧化碳强迫对流传热实验研究

为分析超临界二氧化碳强迫对流传热特性,开展竖直圆管内超临界二氧化碳强迫对流传热特性实验研究。实验结果表明:实验参数范围内存在明显的浮升力效应和流动加速效应;对于向上流动工况,随浮升力效应增强超临界二氧化碳从强迫对流传热过渡至混合对流传热,最后发展为自然对流传热,传热能力有弱化到逐渐恢复直至强化;对于向上流和向下流动工况,流动加速效应皆弱化传热。基于实验数据建立新的超临界流体传热关联式,在实验工况范围内95.03%的预测值与实验值偏差为±30%以内。     

非能动压水堆波动管内汽液逆流试验的研究

为了研究AP1000波动管中的CCFL,设立了以AP1000三代核电反应堆的波动管为原型的缩比试验台架,主要由模拟稳压器的上水箱、波动管、两相流测量装置、下水箱、供气系统、供水系统以及称重系统、摄像系统等组成,波动管采用可视化的亚克力材质,可方便对波动管内气液两相流进行观察及拍摄。试验表明,波动管内的气液两相流流动具有明显的周期性变化,在相同的液位高度下满足Wallis关系式;随着液位的升高,气体流量变化对液体流量的影响越来越明显;在不同液位下,溢流点气量不受液位高度的影响,有临界J_g~*=0.43;液位高度在较低的情况下,正向逆向过程对液泛特性基本没有影响,在液位较高的情况下,逆向过程对液泛特性有一定影响。     

竖直窄矩形通道内弹状流中液膜特性研究

气液两相弹状流广泛存在于工程领域,弹状流中液膜特性对弹状流模型的建立具有重要意义。为此利用高速摄像系统,对竖直窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内弹状流中液膜进行了可视化研究。实验中发现窄矩形通道中气弹左右两侧窄边液膜厚度不等且存在波动,但其对两侧液膜速度影响较小,两侧液膜速度相等。液膜脱离厚度主要受两相流速及气弹长度影响。液膜脱离速度随液相折算速度增加而增大;在低液相流速时,随气相折算速度增加而减小;当液相流速≥1.204 m/s时,液膜不下落,液膜脱离速度随气相速度变化较小,主要受液相流速影响。     

可变液膜厚度下垂直塞状流参数预测模型

基于流动机理的分析建立了塞状流参数预测模型;模型中考虑了液膜的厚度变化.分析了液膜厚度变化对预测结果产生的影响,并用公开发表的数据对模型进行了验证.分析表明,若忽略液膜厚度的变化,将Taylor泡简化为圆柱体,会使其长度的预测值偏小,导致压力梯度的预测出现正偏差,且偏差会随气相表观速度的增加而增大.新建模型反映了液膜的流动特性,可对不同来源的数据进行较为准确的预测.     

竖直下降两相流相界面结构输运特性

竖直下降两相流具有与竖直上升两相流不同的相界面结构特征及输运特性。本文对竖直下降管内的气水两相流进行了实验研究,运用微型四头电导探针对7.5、31.5及55.5倍管径横截面处的空泡份额、相界面浓度、气泡直径、气泡频率及气泡速度等相界面结构参数的局部分布进行了测量。分析获得了相界面结构参数的沿程变化规律,并研究了气相表观流速对相界面结构发展的影响及一维相界面结构输运特性。发现竖直下降泡状流的升力指向管中心,导致相界面结构参数基本呈中心峰值分布;气相表观流速的增大会提高空泡份额和相界面浓度分布的峰度;竖直下降两相流在距入口31.5倍管径处基本达到充分发展。     

Prediction of flooding gas velocity in gas–liquid counter-current two-phase flow in inclined pipes

The purpose of the experimental study is to investigate the effects of pipe inclination, pipe length, pipe diameter and surface tension of the working liquid on the onset of flooding of gas–liquid adiabatic counter-current two-phase flow in inclined pipes. Flooding in inclined pipes were observed by using the combination of visual observation, measurement of discharged liquid flow rate and time variation of liquid hold-up. And it was defined as the maximum air flow rate at which the discharged liquid flow rate is equal to the inlet liquid flow rate. As a result we proposed a correlation to predict the flooding gas velocity in inclined pipes under a given liquid flow rate, and the predictions agreed well with the experimental observations.     

Distribution of void fraction for gas-liquid slug flow in an inclined pipe

In order to investigate the effect of inclination angle on the spatial distribution of phases,experiments on gas-liquid two-phase slug flow in an inclined pipe were carried out by using the optical probe and an EKTAPRO 1000 high speed motion analyzer.It has been demonstrated that the inclination angle and the mixture velocity are important parameters to influence the distribution of void fraction for upward slug flow in the inclined pipe.At high mixture velocity,the gas phase profile is axial symmetry in the cross-section of the pipe.This is similar to that for vertical slug flow.In contrast.most of the gas phase is located near the upper pipe wall at low mixture velocity.By measuring the axial variation of void fraction along the liquid slug.it can be concluded that there is a high void fraction wake region with length of 3-4D in the front of liquid slug.In the fully developed zone of liquid slug.the peak value of the void fraction is near the upper wall.     

非能动安全壳中降膜流动与波动特性数值模拟研究

基于非能动安全壳建立了1:45的简化的二维数值模型，在保持无量纲数不变的前提下，利用流体体积函数（VOF）模型捕捉气-液交界面，分析了不同雷诺数（Re）条件下的液膜铺展状况。通过与实验结果的对比，模拟结果能够较好地反映出实验结果中的液膜波动现象，且液膜厚度的变化与Re一致；竖壁降膜过程受多种力的综合作用，波动的液膜可以分成明显的层流底层与独立波两部分，层流底层流速较低而独立波沿流动方向移动较快，随着液膜的铺展，独立波之间发生碰撞和融合并加剧液膜的波动性；随着Re的增加，层流底层的液膜厚度及独立波的振幅都有所增加，同时波动性加剧。      

竖直窄矩形通道内空气-水两相流中气弹运动速度研究

以空气和水为工质,应用高速摄像仪,对竖直窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内气液两相弹状流进行了可视化实验研究。气、液相表观速度分别为0.1~2.51 m/s和0.16~2.62 m/s,工作压力为常压。实验中发现窄矩形通道内弹状流与圆管中存在较大差别,气弹多发生变形,高液相流速时变形更为严重。窄边液膜含气量较高,在高液相流速时窄边液膜不下落,宽边液膜中含有由气弹头部进入和气弹尾部进入的气泡。气弹速度受气弹头部形状和宽度影响较大,受气弹长度影响较小。气弹速度可由Ishii & Jones-Zuber模型计算,但在低液相折算速度时偏差较大,其主要原因为漂移速度计算值较实验值偏小。     

Off-take and Slug Transition at T-junction of Vertical-up Branch in the Horizontal Pipe

The off-take and the slug transition on air-water interface are experimentally investigated at the T-junction of the horizontal pipe with a vertical upward branch to simulate the loss-of-residual-heat-removal during a mid-loop operation in the Korea standard nuclear power plant. Scaling analysis is performed to scale down the experimental facility to the reference nuclear power plant. Two different diameters of branch pipes are used to verify the scaling laws and their scale effects. Air is used as working gaseous fluid and no water flow exists. Off-take behavior on horizontal stratified and slug flows is visually observed in the horizontal pipe. The experimental data are divided into three categories; onset of liquid entrainment at T-junction, onset of slug transition in the horizontal pipe, and discharge quality in the branch pipe. It is found out that the scale effect of the branch diameter on the onset of liquid entrainment is small and the existing correlations for it are applicable. Also, the onset of slug transition shows a discrepancy with Taitel-Dukler's correlation and has a strong influence on the discharge quality. New correlations for discharge quality are developed considering the critical dependency of the onset of slugging.     

Freezing technique for measuring and predicting the size of droplets in a horizontal annular flow

A freezing technique for measuring the size of droplets was developed to obtain the droplet size distribution in a horizontal annular flow in a pipe with a 37.1 mm diameter. Droplets are frozen by using an extremely low temperature nitrogen gas with liquid film extraction. They are then photographed with a microscope and a CCD camera and measured by means of an image process. The results are compared with various experimental data. The droplet sizes measured by the freezing technique are comparable with those measured by other methods at a high air superficial velocity (of 50 m/s). However, because of the film extraction problem, the droplet sizes measured at a low air superficial velocity of less than 40 m/s are higher than those measured by other methods. A suggested method of predicting the Sauter mean diameter is based on the maximum droplet size correlation for the experimental data, with and without liquid film extraction. The average droplet size is remarkably smaller downstream of the liquid film extractor because large droplets from the liquid film are excluded.