有-無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、蒸汽直接接觸凝結(jié)即蒸汽與過冷水直接接觸并發(fā)生凝結(jié)，在核電、石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中是一種常見的強烈傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，其熱質(zhì)傳遞機制十分復(fù)雜，并可能伴隨著劇烈的壓力及溫度振蕩，這些振蕩會對相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生振動及熱疲勞損傷等不良影響。因此研究其熱質(zhì)傳遞機制并提出削弱其壓力及溫度振蕩的方法，對保證結(jié)構(gòu)完整性及維持設(shè)備安全運行具有十分重要的科學(xué)意義和實際價值。
　　本文開展了有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)實驗及數(shù)值模擬研究，通過

2、在T型管道凝結(jié)區(qū)填充多孔介質(zhì)，利用多孔介質(zhì)的阻力特性及湍流增強特性達(dá)到削弱T型管內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)壓力及溫度振蕩的目的，主要研究工作如下:
　　(1)有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)可視化實驗研究。實驗中利用高速攝影儀采集得到了蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)瞬態(tài)汽羽特征，獲得了有/無多孔介質(zhì)兩種工況下的典型汽羽。有多孔介質(zhì)工況下的典型汽羽包括:振蕩射流凝結(jié)、彈狀穩(wěn)定射流凝結(jié)、霧狀穩(wěn)定射流凝結(jié);無多孔工況下的典型汽羽包括:間歇凝結(jié)、振蕩

3、射流凝結(jié)、穩(wěn)定射流凝結(jié)、尾部振蕩射流凝結(jié)、發(fā)散射流凝結(jié)。通過構(gòu)建凝結(jié)流型對比圖，分析填充多孔介質(zhì)對凝結(jié)流型的影響，結(jié)果表明:凝結(jié)區(qū)填充多孔介質(zhì)可以使蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)流型趨于穩(wěn)定，有效削弱汽羽的振蕩現(xiàn)象。
　　(2)有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)溫度和壓力振蕩實驗研究。實驗中利用壓力傳感器和溫度傳感器分別采集得到不同飽和蒸汽流量、不同過冷水流量、不同過冷水溫度條件下有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)壓力及溫度振蕩信號，對

4、比分析了填充多孔介質(zhì)后對壓力振蕩均方根值、壓力振蕩峰谷值、壓力振蕩主頻以及溫度振蕩的削弱作用，并討論了不同孔隙率對這些參數(shù)的影響。實驗結(jié)果表明:T型管內(nèi)填充多孔介質(zhì)后，可以有效削弱蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)壓力及溫度振蕩，且隨著孔隙率的減小，即粘性阻力和慣性阻力的增大，削弱作用呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。
　　(3)有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)數(shù)學(xué)建模及數(shù)值模擬。構(gòu)建含單排規(guī)則排列球形多孔介質(zhì)的T型管道結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，基于FLUENT

5、16.1平臺并導(dǎo)入自定義雙阻力冷凝程序，選取LES湍流模型和VOF兩相流模型，對有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)實驗工況進(jìn)行數(shù)值模擬。通過將數(shù)值模擬和實驗中獲得的流型進(jìn)行定性比對，驗證了模型的可行性，進(jìn)一步分析了數(shù)值模擬溫度云圖、凝結(jié)速率云圖、流線圖及速度矢量圖，揭示多孔介質(zhì)削弱T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)壓力及溫度振蕩的機理。對比有/無多孔介質(zhì)條件下凝結(jié)速率云圖，說明填充多孔介質(zhì)后可以有效增大凝結(jié)速率，因此通過增大對流體的阻力及凝結(jié)速率使得