環(huán)狀狹縫通道流動(dòng)沸騰傳熱的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、狹縫通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱是汽液兩相流研究的一個(gè)重要方面。狹縫兩相流傳熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，具有顯著的強(qiáng)化效果，是一種既經(jīng)濟(jì)又有效的強(qiáng)化傳熱方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，狹縫通道中的沸騰傳熱明顯高于一般圓管，這說明采用狹縫沸騰傳熱有其獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，為縮小蒸汽發(fā)生器等換熱設(shè)備的外形尺寸，對狹縫通道流動(dòng)沸騰傳熱特性的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。弄清其傳熱機(jī)理，對滿足核動(dòng)力裝置經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性不斷提高的要求起著至關(guān)重要的作用。 本文首先完成了環(huán)狀狹縫

2、通道中流動(dòng)沸騰傳熱的常溫常壓預(yù)備實(shí)驗(yàn)和高溫高壓實(shí)驗(yàn)。常溫常壓預(yù)備實(shí)驗(yàn)除可獲得常溫常壓下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外，還能為高溫高壓實(shí)驗(yàn)元件的加工、密封和實(shí)驗(yàn)工況的選擇積累經(jīng)驗(yàn)，常溫常壓預(yù)備實(shí)驗(yàn)為高溫高壓實(shí)驗(yàn)的順利完成打下了良好的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)的技術(shù)關(guān)鍵在于內(nèi)外管壁溫的測量。本實(shí)驗(yàn)研究解決了內(nèi)套管直徑很小時(shí)，內(nèi)套管內(nèi)壁溫度難以測量的關(guān)鍵問題。高溫高壓實(shí)驗(yàn)范圍為：系統(tǒng)壓力P=2~3.5MPa; 質(zhì)量流速G=45~180kg/m2s; 進(jìn)口水溫t=50~180℃

3、; 熱流密度q=40~210kW/ m2; 狹縫間隙s=1~2mm。 作者在參考國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，假定狹縫通道中流動(dòng)沸騰傳熱時(shí)總熱流密度來自對流和汽泡潛熱兩種成份的疊加，分析了狹縫通道中流動(dòng)沸騰傳熱的機(jī)理，揭示了沸騰換熱系數(shù)與通道尺寸之間的關(guān)系，從而從理論上證明了狹縫通道能強(qiáng)化傳熱，并以間隙為1mm和1.5mm的環(huán)狀狹縫通道中流動(dòng)沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明減小狹縫通道尺寸能強(qiáng)化傳熱。本研究成果對于豐富和發(fā)展狹縫通道

4、沸騰傳熱的理論作出了一定的貢獻(xiàn)。 作者以高溫高壓環(huán)狀狹縫通道流動(dòng)沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了各流動(dòng)參數(shù)對流動(dòng)阻力的影響，給出了計(jì)算摩擦壓降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，同時(shí)，通過對影響摩擦壓降的諸因素進(jìn)行分析認(rèn)為，狹縫通道中流動(dòng)沸騰的摩擦壓降可以用Lockhart-Martinelli 公式計(jì)算，但對Chisholm常數(shù)C要進(jìn)行修正，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理得到了修正后的Chisholm關(guān)系式。 過冷沸騰起始點(diǎn)(ONB點(diǎn))和蒸干點(diǎn)(DO

5、點(diǎn))這兩個(gè)特征點(diǎn)是了解和計(jì)算強(qiáng)迫對流沸騰傳熱過程的關(guān)鍵。作者以高溫高壓環(huán)狀狹縫通道流動(dòng)沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了影響過冷沸騰起始點(diǎn)熱負(fù)荷的因素，給出了計(jì)算過冷沸騰起始點(diǎn)熱負(fù)荷的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較, 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合得較好。此外，還對影響臨界截面含汽率的因素進(jìn)行了分析，給出了計(jì)算臨界截面含汽率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。 同時(shí)，以高溫高壓環(huán)狀狹縫通道流動(dòng)沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對影響?yīng)M縫通道中流動(dòng)沸騰傳

6、熱特性的諸因素進(jìn)行分析認(rèn)為，努謝爾特?cái)?shù)Nu不僅是雷諾數(shù)Re和普朗特?cái)?shù)Pr的函數(shù)，還與沸騰數(shù)Bo和無量綱約束數(shù)(confinement number)Nconf的大小有密切關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無因次分析，整理得到了可以用來預(yù)測環(huán)形狹縫通道中流動(dòng)沸騰的傳熱特性的準(zhǔn)則關(guān)系式。 空泡率是區(qū)分兩相流與單相流不同的重要標(biāo)志。作者以高溫高壓下環(huán)狀狹縫通道中流動(dòng)沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為初始條件，用Rouhani-Axelsson機(jī)理模型和Zube

7、r-Findlay關(guān)系式計(jì)算了環(huán)狀狹縫通道中過冷沸騰傳熱的空泡率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出了改進(jìn)的充分發(fā)展欠熱沸騰起始點(diǎn) 的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。為進(jìn)一步研究飽和沸騰下的空泡率奠定了基礎(chǔ)。 以狹縫通道中流動(dòng)沸騰傳熱的機(jī)理分析和高溫高壓環(huán)狀狹縫通道流動(dòng)沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，將k-ε方程應(yīng)用于汽液兩相流動(dòng)中，建立了適合狹縫沸騰傳熱的二維均相湍流模型，按過冷沸騰和飽和沸騰分段進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了狹縫沸騰傳熱的壓力場、速度場和溫度場以及沿管壁的換熱