運(yùn)動(dòng)條件下的環(huán)狀流界面輸運(yùn)機(jī)制及模型.pdf

1、海洋核反應(yīng)堆在海洋中受到風(fēng)、浪、涌等影響，將產(chǎn)生傾斜、起伏和搖擺等一系列典型海洋運(yùn)動(dòng)，對(duì)核反應(yīng)堆冷卻劑的流動(dòng)傳熱特性將有很大影響，而這種影響在堆內(nèi)冷卻劑兩相流動(dòng)中尤為顯著。環(huán)狀流作為氣液兩相流中的一種重要流型，是涉及與環(huán)狀流相關(guān)的反應(yīng)堆安全分析的基礎(chǔ)。因此，準(zhǔn)確掌握運(yùn)動(dòng)條件下堆內(nèi)冷卻劑處于環(huán)狀流時(shí)的流動(dòng)傳熱特性，對(duì)反應(yīng)堆裝置在海洋條件下的安全有重要作用。漂移流模型與兩流體模型因其實(shí)用性與計(jì)算精度高，被廣泛應(yīng)用于兩相流流動(dòng)傳熱的計(jì)算。為了

2、將漂移流模型與兩流體模型用于獲取運(yùn)動(dòng)條件下核反應(yīng)堆冷卻劑處于環(huán)狀流時(shí)的流動(dòng)傳熱特性，需完善漂移流模型與兩流體模型在運(yùn)動(dòng)條件下相對(duì)應(yīng)的界面輸運(yùn)模型。
　　本文在空氣-水兩相實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的高速攝像環(huán)狀流液膜測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過可視化圖像處理，獲得了環(huán)狀流液膜特征，并討論了液膜厚度與液膜波動(dòng)特性的影響因素與變化規(guī)律；通過考慮氣芯的夾帶機(jī)制，工質(zhì)的物性和氣液流速，提出了液膜厚度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，該關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)精度在20％以內(nèi)；基于界面剪切擾動(dòng)波的形

3、成機(jī)制，考慮氣液界面的不穩(wěn)定以及受力平衡等因素，提出了剪切擾動(dòng)波波高與波速的機(jī)理模型，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，預(yù)測(cè)誤差均在25%以內(nèi)；考慮環(huán)狀流液膜波動(dòng)特性、液滴夾帶與沉積，獲得了環(huán)狀流界面剪切力模型，模型的最大相對(duì)誤差在±25%以內(nèi)，能較好的預(yù)測(cè)不同模型計(jì)算得到的界面剪切力。
　　根據(jù)漂移流速度的定義，結(jié)合一維動(dòng)量方程，從理論上推導(dǎo)并獲得了環(huán)狀流的一維漂移流速度模型，模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差在25%以內(nèi)；考慮運(yùn)動(dòng)條件下對(duì)兩相流的影響機(jī)制

4、，獲得了運(yùn)動(dòng)條件下環(huán)狀流漂移流速度的修正模型，并且模型與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。
　　基于文獻(xiàn)中的可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的再分析，獲得了氣泡聚合模型，包括氣泡碰撞聚合模型與氣泡尾渦夾帶聚合模型。結(jié)合小尺寸氣泡之間的相互作用機(jī)制（包括氣泡碰撞聚合、尾渦夾帶聚合與氣泡湍動(dòng)渦旋破碎），從理論上推導(dǎo)并獲得了小氣泡界面濃度輸運(yùn)源項(xiàng)，封閉了小氣泡界面濃度輸運(yùn)方程；討論了流道截面形狀對(duì)小氣泡界面濃度輸運(yùn)源項(xiàng)的影響，獲得了矩形流道小氣泡界面濃度輸運(yùn)方程，并

5、通過MATLAB程序結(jié)合界面濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所得到的小氣泡界面濃度輸運(yùn)方程進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　考慮隨機(jī)碰撞引起的氣泡聚合和湍動(dòng)渦旋引起的氣泡破碎對(duì)于界面輸運(yùn)源項(xiàng)的影響，并考慮運(yùn)動(dòng)造成的界面濃度源項(xiàng)在截面上的不均勻性，采用不均勻分布參數(shù)來考慮運(yùn)動(dòng)造成的界面濃度源項(xiàng)截面不均勻性，得到了運(yùn)動(dòng)條件下一維界面濃度輸運(yùn)方程；通過在系統(tǒng)程序 RELAP5中嵌入一維界面濃度輸運(yùn)方程，實(shí)現(xiàn)了界面濃度輸運(yùn)方程耦合兩流體模型的求解，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了嵌入