搖擺條件下窄矩形通道內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性研究.pdf

1、核推進(jìn)以其能量密度大、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力領(lǐng)域，如核動(dòng)力艦船、核動(dòng)力商船以及海洋核動(dòng)力平臺(tái)等。由于受船舶核動(dòng)力裝置的空間限制，具有緊湊結(jié)構(gòu)的板狀燃料元件和換熱器的布置是必要的。海洋條件會(huì)引起冷卻劑發(fā)生周期性波動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性時(shí)，二者相互作用使得系統(tǒng)呈現(xiàn)更加復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài)。本文主要針對(duì)搖擺條件下窄矩形通道內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定性開展了全面的實(shí)驗(yàn)研究和非線性分析。
　　以去離子水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，開展豎直靜止及搖擺狀態(tài)下窄矩形通道

2、內(nèi)的低驅(qū)動(dòng)壓頭強(qiáng)迫循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究。靜止實(shí)驗(yàn)中觀察到了密度波脈動(dòng)(DWO)、壓力降脈動(dòng)(PDO)以及Ledinegg不穩(wěn)定性，獲得了本論文的流動(dòng)不穩(wěn)定性起始點(diǎn)(OFI)預(yù)測(cè)關(guān)系式和流動(dòng)不穩(wěn)定邊界，并與常規(guī)通道和微通道內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性機(jī)理進(jìn)行對(duì)比。隨著質(zhì)量流速的逐漸降低，搖擺工況依次出現(xiàn)了單相波動(dòng)、波谷型脈動(dòng)、耦合型脈動(dòng)以及兩相波動(dòng)。其中波谷型脈動(dòng)是典型的搖擺誘發(fā)的兩相不穩(wěn)定性，其形成機(jī)理是波谷處的劇烈產(chǎn)汽，耦合型脈動(dòng)是搖擺引起的熱

3、工水力脈動(dòng)與PDO之間的疊加。從波動(dòng)幅度、頻譜特征以及流型對(duì)搖擺條件下強(qiáng)迫循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性的演化特性進(jìn)行分析，并將其分為搖擺占優(yōu)區(qū)、共振耦合區(qū)以及熱工水力占優(yōu)區(qū)。
　　對(duì)豎直及搖擺條件下窄矩形通道內(nèi)的自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果表明豎直自然循環(huán)工況會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)流量漂移現(xiàn)象和DWO，系統(tǒng)壓力的增加或入口過冷度的降低會(huì)導(dǎo)致流量漂移被削弱直至消失。通過由相變數(shù)(Npch）和過冷度數(shù)(Nsub）組成的二維相空間中確定DWO的邊界

4、，結(jié)果顯示DWO的范圍較廣，且在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)壓力(p=0.1～0.3MPa)對(duì)其邊界的影響不明顯。實(shí)驗(yàn)研究還表明搖擺運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致自然循環(huán)工況OFI提前發(fā)生，但卻引起耦合型脈動(dòng)的滯后，這是由于波谷型脈動(dòng)是由冷卻劑波動(dòng)誘發(fā)的，而耦合型脈動(dòng)則是以DWO的發(fā)生為前提，且受搖擺劇烈程度的影響。在本論文參數(shù)范圍內(nèi)，搖擺參數(shù)對(duì)OFI的影響不明顯，但隨著搖擺劇烈程度的增加，耦合型脈動(dòng)起始點(diǎn)滯后現(xiàn)象越來越明顯。搖擺引起的空間位置變化使得自然循環(huán)靜態(tài)漂移

5、現(xiàn)象提前發(fā)生，即系統(tǒng)的自然循能力限和輸熱能力限會(huì)減小，隨著搖擺角度的增加，這種減小的程度越大，但搖擺周期的影響不明顯。此外，搖擺誘發(fā)的逆流現(xiàn)象使得入口水溫出現(xiàn)波動(dòng)，且導(dǎo)致了系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性提前發(fā)生，從而大大降低了系統(tǒng)的安全閾值。
　　通過快速傅里葉分析(FFT)和小波分析，分別從頻域和時(shí)頻域研究了搖擺工況下熱工水力系統(tǒng)的頻率結(jié)構(gòu)特征及其分布特性，其結(jié)果表明搖擺對(duì)應(yīng)頻段的能量出現(xiàn)先增加后減小的非線性趨勢(shì)，這是因?yàn)樵隈詈瞎舱駞^(qū)域搖擺運(yùn)

6、動(dòng)與熱工水力脈動(dòng)之間的共振作用使得信號(hào)波動(dòng)加劇，而隨著熱流的增加，熱工水力因素明顯占據(jù)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)阻力和驅(qū)動(dòng)力的增加使得搖擺的影響被削弱。通過相空間重構(gòu)、刻畫吸引子結(jié)構(gòu)以及計(jì)算關(guān)聯(lián)維數(shù)、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指數(shù)等幾何特征量對(duì)搖擺條件下的流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行非線性分析，分析結(jié)果表明隨著熱流密度的增加，系統(tǒng)的非線性程度逐漸增加并最終趨于與靜止工況一致。在熱流密度較低的單相區(qū)域內(nèi)搖擺參數(shù)對(duì)系統(tǒng)非線性程度的影響較小，而在波谷型