窄流道內(nèi)高過冷流動沸騰條件下的汽泡演化特性及機(jī)制.pdf

1、由于窄流道元件的緊湊性特點(diǎn),在可移動的核動力堆中得到重視。在反應(yīng)堆熱工水力分析中,堆芯窄流道內(nèi)過冷流動沸騰階段的汽泡演化特性對堆芯窄流道內(nèi)的換熱及流動特性有著重要的影響。出于對堆芯安全性的考慮,要求工質(zhì)在元件出口具有較高的過冷度?，F(xiàn)有關(guān)于過冷流動沸騰汽泡演化特性的研究大多是在常規(guī)流道中較低壓力和較小主流過冷度情況下的研究成果。因此,本文在不同系統(tǒng)壓力下對豎直矩形窄流道內(nèi)高過冷流動沸騰時(shí)的汽泡演化進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn),研究了汽泡演化的特點(diǎn)及影

2、響機(jī)制；通過實(shí)驗(yàn)和理論的分析,提出了如汽泡生長、汽泡脫離、聚合、冷凝等汽泡演化過程的預(yù)測模型；并數(shù)值模擬了汽泡的生長、運(yùn)動過程及聚合過程。
　　 研究發(fā)現(xiàn),窄流道內(nèi)高過冷流動沸騰條件下系統(tǒng)壓力對汽泡生長演化特性有著重要的影響,在較低的系統(tǒng)壓力下(p≤0.3 MPa),汽泡在核化點(diǎn)處生長,汽泡生長結(jié)束后直接凝結(jié)而沒有發(fā)生滑移運(yùn)動現(xiàn)象；在較高的系統(tǒng)壓力下(p≥0.6 MPa),汽泡脫離核化點(diǎn)后發(fā)生滑移生長現(xiàn)象。隨著系統(tǒng)壓力的增加,汽

3、泡生長速度逐漸減小。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),較低壓力下的汽泡生長速度遠(yuǎn)高于較高壓力下的情況,在0.1 MPa下的汽泡生長速度大約是1.0 MPa下10倍左右。受力分析結(jié)果表明,壓力變化導(dǎo)致的汽泡行為差異主要是因汽泡尺寸及單位體積潛熱所導(dǎo)致的生長力變化所致。
　　 結(jié)合過冷流動沸騰過程中汽泡生長的特點(diǎn),考慮主流過冷度和主流速度對汽泡生長的影響,引入無因次參數(shù)Ja數(shù),Re數(shù),以及修正系數(shù)s,建立了高過冷流動沸騰條件下汽泡生長的數(shù)學(xué)模型。模型的預(yù)測

4、結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果誤差在±25％范圍內(nèi)。模型中的修正系數(shù)s反映了主流過冷度對汽泡生長的影響程度。當(dāng)壁面過熱度較小時(shí),主流過冷對汽泡生長的影響較大,使得修正系數(shù)s相對較小。而當(dāng)壁面過熱度較大時(shí),主流過冷度對汽泡生長的影響較小,使得修正系數(shù)s相對較大。對汽泡凝結(jié)過程進(jìn)行熱平衡分析,建立分析模型,得到了汽泡在主流中凝結(jié)的直徑變化預(yù)測模型,模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　 對較高壓力下滑移汽泡的實(shí)驗(yàn)研究和分析發(fā)現(xiàn):隨著熱流密度增加,汽

5、泡滑移距離增加,但在較高的熱流密度時(shí)由于滑移汽泡較多導(dǎo)致汽間的聚合作用較強(qiáng)使得汽泡的平均滑移距離有減小的趨勢。汽泡滑移距離隨著質(zhì)量流速的增加而減小,隨著主流過冷度的增加而減小。通過建立熱量平衡模型,對各個(gè)傳熱機(jī)制進(jìn)行了分析,表明汽泡擾動所導(dǎo)致的傳熱增強(qiáng)是主要的強(qiáng)化因素,而泡底微層蒸發(fā)的傳熱份額并不顯著,并得出了滑移汽泡和固定汽泡的擾動引起的瞬態(tài)換熱量的表達(dá)式。在實(shí)驗(yàn)工況條件下,滑移汽泡的擾動引起的瞬態(tài)導(dǎo)熱量的份額βtcs在0～0.35,

6、且遠(yuǎn)大于固定汽泡的瞬態(tài)導(dǎo)熱量份額βtcf,兩者之間的比值在1.8～10.3之間,表明汽泡沿著加熱壁面的滑移運(yùn)動能進(jìn)一步強(qiáng)化換熱。
　　 在對汽泡演化行為的可視化實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,建立了過冷流動沸騰中的單汽泡生長及運(yùn)動過程的相變模型,結(jié)合Fluent中模擬汽液兩相流動的VOF模型,利用UDF接口實(shí)現(xiàn)了相變過程的數(shù)學(xué)描述,對單汽泡生長及運(yùn)動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。考慮主流速度、主流過冷度、壁面過熱度和接觸角的影響,獲得了過冷流動沸騰下汽

7、泡生長曲線,結(jié)果與相應(yīng)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。對汽泡生長及運(yùn)動過程中的形狀變化和溫度場瞬態(tài)特性的分析結(jié)果表明,汽泡的生長速度,主流速度以及動態(tài)接觸角對汽泡滑移運(yùn)動過程中形狀變化影響較大；過熱層的液體溫度在汽泡生長過程中梯度不發(fā)生變化。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著熱流密度的增加汽泡間的聚合現(xiàn)象逐漸增加,但是汽泡聚合特性受系統(tǒng)壓力的影響顯著。較低壓力下,當(dāng)熱流密度不太高時(shí)汽泡聚合后被迅速凝結(jié)；而當(dāng)熱流密度較高時(shí)汽泡聚合后不會迅速凝結(jié)

8、,而形成較大汽團(tuán)沿著加熱壁面滑移運(yùn)動。較高壓力下,當(dāng)熱流密度不太高時(shí)使得同一個(gè)核化點(diǎn)生長的連續(xù)汽泡相互聚合,而后沿加熱壁面滑移。當(dāng)熱流密度較高時(shí),加熱面上的滑移汽泡個(gè)數(shù)增多,從不同核化點(diǎn)產(chǎn)生的汽泡在滑移運(yùn)動中將發(fā)生聚合。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和數(shù)值模擬研究還發(fā)現(xiàn),汽泡聚合可分為四個(gè)過程:ⅰ)兩個(gè)汽泡相互接近；ⅱ)相鄰汽泡間形成的薄液層厚度減小,直到兩個(gè)汽泡界面相互接觸；ⅲ)汽泡接觸的相界面破裂；ⅳ)兩個(gè)汽泡的相互融合形成新的汽泡。其中ⅱ)到