液态金属钠沸腾两相流动传热特性理论研究

在实验的基础上对液态金属钠沸腾两相流动传热特性进行理论研究。计算对象为环形流道。单相流动区域认为液态金属钠不可压缩;两相流动区域考虑钠蒸汽的可压缩性。两相流动区域选用均匀流模型,求解过程中采用迎风格式进行积分。将模型计算结果与相关实验数据进行对比,结果表明本文模型可用于计算液态金属钠沸腾两相流动传热特性,模型计算结果在一定程度上能完成对实验工作的拓展。     

低流速过冷沸腾压降实验与计算方法研究

在中压强迫循环工况下开展了低流速过冷沸腾压降实验．实验中同时对过冷沸腾空泡率进行了测量基于得到的实验数据,对低流速过冷沸腾压降计算方法进行了研究．研究表明．过冷沸腾工况下的流动压降与重力压降亦即空泡率密切相关．选用合理的空泡率计算模型对于低流速过冷沸腾压降的准确计算极为重要由于目前普遍采用的Saha模型．Levy模型难以得出准确的低流速过冷沸腾真实含汽率与空泡率预测结果,应用于低流速过冷沸腾压降计算时会产生较大偏差．笔者提出的真实含汽率模型和净蒸汽产生点（NVG）空泡率模型可用于蒸汽-水强迫循环低流速过冷沸腾压降计算通过本文研究、最终得出蒸汽-水强迫循环低流速过冷沸腾压降的推荐计算方法。     

5MW核供热堆自然循环两相流流动特性分析

实验研究在５ＭＷ核供热堆热工水力学模拟系统ＨＲＴＬ－５上进行。计算分析采用带有质量,蒸汽质量,能量及动量守恒方程的一维两相流漂移模型。用Ｃｌａｕｓｉｕｓ－Ｃｌａｐｅｙｒｏｎ方程计算上升段中闪蒸起始点。通过在过冷沸腾区,饱和沸腾区及上升段中推导守恒方程,得到可描述自然循环两相流系统特性的常微分方程组。用时域法求解。研究表明过冷沸腾及空泡的闪蒸对空泡分布,系统循环流量及流动稳定性都有很大影响,且系统压力越低,过冷沸腾及闪蒸的影响越大;在相当宽的两相流动条件下,加热段中只发生过冷沸腾;揭示了两相流不稳定时振荡的传播特性。在５ＭＷ核供热堆条件下理论分析与实验结果吻合得很好。     

两相流模型在直流蒸汽发生器热工水力分析中的比较研究

根据组成气液两相流基本场方程数量所反映的流动与传热特性的不同,两相流方程分为三方程、四方程、五方程和六方程模型,结合流动压降模型、传热模型、两相相互作用模型以及流动工质的状态参数和结构材料热物性等辅助关系式,可很好地对蒸汽产生系统进行设计和研究分析。本文分析了不同数量的两相流场方程的特点和局限性,结合直管式直流蒸汽发生器实验装置,分别选取最佳估算程序中4种不同的两相流场方程计算模型进行流动传热计算分析,重点比较了强制流动的单相过冷水被加热至单相过热蒸汽过程中的压力与传热特性,从而给出不同场方程的两相流模型在分析具有较大相变过程中的差异性,验证了RELAP5程序和RETRAN-3D程序计算分析直流蒸汽发生器的能力。结果表明,RELAP5程序的六方程模型更适合模拟直流蒸汽发生器。     

沸腾传热数值模拟方法及多管耦合应用特性研究

针对直流蒸汽发生器（OTSG）中全流型沸腾传热及一、二次侧耦合换热等复杂物理现象,计算流体动力学（CFD）数值分析普遍面临计算难度大、计算效率低及不确定性大等问题。基于欧拉两流体多相流模型与临界热流密度（CHF）壁面沸腾模型,建立了管内全流型流动沸腾传热数值分析模型,并验证了模型的有效性。基于所验证的模型,开展了数值模型在多管耦合传热下的应用特性研究,明确了该数值模拟方法在多管耦合下的可靠性,并对温度与相分布计算结果对相间作用力模型的敏感性进行了数值分析。研究结果表明：基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型,能够较准确地预测管内水介质由过冷到过热的全流型流动沸腾传热过程,计算的“干涸”点位置及壁面峰值温度与实验值符合较好,最大误差小于10%;基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型的数值方法对多管耦合工况有较好的适用性,计算的二次侧温度与实验结果吻合良好;两相间曳力对壁面温度及空泡份额的计算结果有较明显的影响,但非曳力对壁面温度的影响较小,因此对于大规模工程应用计算,可在分析中不考虑部分相间非曳力的影响。本文研究结果可为OSTG的三维精细化数值分析的模型选择提供有益参考。     

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。     

两流体模型在环形窄缝内的应用研究

采用EPRI最新开发的Chexal-Harrison相壁相间摩擦模型和简化的相壁相间传热模型,构造了适用于环形窄缝内沸腾传热和流动的两流体模型,并编制了热工水力计算程序——THYME程序.与实验数据比较,分析了环形窄缝套管在不同负荷下Relap5/Mod3.2程序和本文程序的计算结果.计算结果表明,Relap5/Mod3.2低估了环形蒸发管的蒸汽温度,本文计算结果与实验数据较为一致.     

流动欠热沸腾通道内净蒸汽产生起始点的确定

给出了在低压条件下 ,竖直的环形通道内 ,流动欠热沸腾过程中净蒸汽产生起始点的实验结果。讨论了净蒸汽产生起始点的特征及用γ射线衰减法测量净蒸汽产生起始点时应注意的问题。实验数据与有关模型进行了比较 ,实验数据与计算模型符合较好     

直流蒸汽发生器全范围流动与传热数值模拟

以BW公司实际运行的直流蒸汽发生器为原型,采用两流体三流场数学模型数值模拟直流蒸汽发生器二次侧单相液对流换热区、核态沸腾区、蒸干后区域、过热区(即全范围)的流动沸腾换热现象。结果表明:本文采用的模型可较好地预测直流蒸汽发生器全范围的流动与传热特性,数值模拟结果与运行数据符合较好;蒸干后质量含汽率低于热平衡质量含汽率,结合壁温变化趋势表明直流蒸汽发生器运行过程中蒸干后区域存在一定程度的热力非平衡;随着流动换热的发展,表面传热系数迅速上升,蒸干的发生导致传热性能急剧下降,在蒸干后区域及过热蒸汽区表面传热系数缓慢上升。     

垂直管内蒸汽冷凝回流阻流分析模型的研究

在汽液两相分离流动模型的基础上，建立了垂直管内蒸汽冷凝回流阻液分析模型。采用该模型对单相Ｕ型管内蒸汽冷凝回实验参数下的阻液起始点进行计算，计算结果与实验结果符合较好。     

压水堆燃料棒束通道内过冷沸腾分析

使用Fluent14.5两流体模型中的RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)壁面沸腾模型,对堆芯燃料棒束通道内过冷沸腾现象进行数值模拟,得到了通道内的流场、温度场以及空泡份额的分布,分析了定位格架和搅混翼的存在对热工水力特性的影响。数值结果表明,格架的存在会造成很大的压降,而搅混翼会对流场、温度场和空泡份额分布产生显著影响;RPI壁面沸腾模型的模拟结果与Bartolemei试验数据符合很好。     

自然循环流动不稳定条件下的传热特性实验研究

为探究流动不稳定性机理，在低压自然循环系统中开展了一系列相关实验，分析了不同流量振荡模式下自然循环的沸腾传热机制及局部传热特性。实验表明：中、低热流密度下出现的较规则的周期性振荡由加热段内流动沸腾诱发，壁面过热度不会随流量振荡而大幅度变化；高热流密度下自然循环系统出现的周期性不规则振荡现象中，流动沸腾类型间的相互转变不是流量波动的唯一原因。大幅度的流量脉动可能在高热流密度下导致沸腾临界的发生，出口壁面出现间歇性干涸，局部传热系数下降的同时伴随壁温的短暂飞跃。随着热流密度的提高，自然循环系统可能出现持续性干涸。     

基于系统分析软件的IRWST中PRHR HX建模方法研究

本文针对AP1000内置换料水箱(IRWST)热工水力特性缩比实验4种典型的沸腾工况,应用两种不同的系统分析软件（RELAP5/SCDAPSIM mod3.4和COSINE）,将三维模型简化为一维模型。基于单通道和多通道两种不同建模方法,研究不同的初始温度、加热功率、水箱水位工况下,水箱内的温度、沸腾时间等参数的变化。结果表明,RELAP5单通道模型与多通道模型计算结果低于实验值,COSINE的单通道模型与多通道模型计算结果高于实验值,两种软件的计算精度相当。RELAP5计算模型的沸腾时间整体上晚于实验时间,COSINE计算模型的沸腾时间整体上早于实验时间,采用多通道模型后,每个工况达到沸腾的时间均短于单通道模型,表明采用多通道建模方法后,模型整体的换热能力提高,缩短了模型整体沸腾所需的时间。在系统安全分析的建模过程中,可根据水箱内温度、整体沸腾时间对安全保守性的影响,确定具体的建模策略。     

流道方位及运动对沸腾两相流动传热行为的影响

基于两流体模型与固壁非稳态导热模型,结合有关关联式组合与参数综合比选下的模型验证,建立分析流道内沸腾流动传热的瞬态数值模拟程序。通过引入运动下附加加速度模型,研究流道形位与运动等因素对流道内沸腾流动与传热的影响。诸因素对沸腾传热系数、流动压降、固壁温度以及传热流动的瞬态行为影响的计算分析结果对相关堆芯流道的试验设计与应用具有指导意义。     

在双面加热的窄缝环形流道中流动沸腾换热研究

在窄缝流道内发生沸腾换热现象时,由于沸腾产生的汽泡受窄缝流道的限制,受压变形而消除了汽泡表面张力对传热的影响。因此对此现象进行基础性理论研究具有很重要的意义。本文在常压下用蒸馏水对窄缝间隙为 0.75mm的垂直环形流道,进行了流动沸腾传热实验研究。实验段的有效加热长度为 900mm,其加热方式为内外侧双面加热,实验的流量变化范围在 1.67× 10－ 5～ 5.83× 10－ 5m3/s。通过实验得到了在不同质量流速和热流密度下双面加热的窄缝流道中内外侧沸腾换热系数随干度变化的分布和特点。研究结果表明,由于在窄缝流道中存在着大量的运动聚合受压变形汽泡,因此使内外侧沸腾换热系数都很高 (可达 105W· m－ 2· K－ 1以上 )。     

R134a卧式螺旋管内沸腾两相流型与传热特性实验研究

在蒸发温度为5～15 ℃、热流密度范围为5～20 kW·m^-2、工质质量流速变化范围为50～500 kg·m^-2·s^-1和干度范围为0.01～0.9的条件下,对R134a在卧式螺旋管内的沸腾两相流型及传热特性进行了实验研究。利用可视化技术对流型进行了观察分析,发现在相同工况条件下,卧式螺旋管上升段和下降段的流型有所不同,特别是形成环状流之前存在明显不同的过渡流型,分别为波环状流型和超大气弹流型,因此,对上升段和下降段分别建立了流型图。获得了传热系数随工质的干度、质量流速和热流密度等参数的变化关系,发展了R134a在卧式螺旋管内流动沸腾传热系数的计算关联式。     

微重力下沸腾传热研究进展

微重力下的沸腾传热研究是航天技术领域最基本的研究课题之一．具有重要的学术意义和工程应用价值.本文从地面模拟技术、地面模拟实验、微重力实验和流动沸腾换热4个方面,介绍了微重力下沸腾传热研究进展.     

管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热特性的数值模拟

以唐琦琳的管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热试验台为原型,进行基于CFX的管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热特性数值模拟,得出了不同入口温度、热流密度、质量流速下管束外狭窄通道的热工水力特性。沿管束高度流体温度的模拟结果与实验结果的最大相对偏差为3.5%,从而证明了数值计算的有效性和正确性。在此基础上,探讨了汽液两相流速度分布、沸腾压降与含汽率及其影响因素。     

基于气泡动力学的过冷流动沸腾边界层模型研究

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。过冷流动沸腾起始于ONB点,结束于Tsat点,中间被OSV点划分为高过冷流动沸腾段和低过冷流动沸腾段,不同阶段流场情况以及气泡行为存在较大区别。目前关于过冷流动沸腾过程的研究主要基于宏观实验、理论研究和数值模拟,随着气泡动力学的发展,从微观层面揭示沸腾机理变得可行。本文基于气泡动力学和气泡边界层模型,提出了一套预测过冷流动沸腾的理论模型,采用分相模型,将流场在径向上划分为多个区域,通过1组准二维控制方程,将各区域内的气泡行为,区域间的质量、动量和能量交换以及两相参数沿轴向的变化情况考虑在内,利用获得的边界层流场信息,可确定ONB点和OSV点。模型与空泡份额和流体温度的实验结果符合良好,并成功应用于核反应堆燃料元件通道的过冷流动沸腾计算。     

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。