環(huán)狀狹縫通道流動沸騰傳熱的理論及實驗研究.pdf

1、狹縫通道內(nèi)的流動沸騰傳熱是汽液兩相流研究的一個重要方面。狹縫兩相流傳熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，具有顯著的強化效果，是一種既經(jīng)濟又有效的強化傳熱方法。實驗發(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特的優(yōu)勢。因此，為縮小蒸汽發(fā)生器等換熱設備的外形尺寸，對狹縫通道流動沸騰傳熱特性的研究有著十分重要的現(xiàn)實意義。弄清其傳熱機理，對滿足核動力裝置經(jīng)濟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、通道中流動沸騰傳熱的常溫常壓預備實驗和高溫高壓實驗。常溫常壓預備實驗除可獲得常溫常壓下的實驗數(shù)據(jù)外，還能為高溫高壓實驗元件的加工、密封和實驗工況的選擇積累經(jīng)驗，常溫常壓預備實驗為高溫高壓實驗的順利完成打下了良好的基礎。實驗的技術(shù)關(guān)鍵在于內(nèi)外管壁溫的測量。本實驗研究解決了內(nèi)套管直徑很小時，內(nèi)套管內(nèi)壁溫度難以測量的關(guān)鍵問題。高溫高壓實驗范圍為：系統(tǒng)壓力P=2~3.5MPa; 質(zhì)量流速G=45~180kg/m2s; 進口水溫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)文獻的基礎上，假定狹縫通道中流動沸騰傳熱時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沸騰傳熱的機理，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化傳熱，并以間隙為1mm和1.5mm的環(huán)狀狹縫通道中流動沸騰傳熱的實驗數(shù)據(jù)進行了驗證，證明減小狹縫通道尺寸能強化傳熱。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。 作者以高溫高壓環(huán)狀狹縫通道流動沸騰傳熱的實驗數(shù)據(jù)為基礎，分析了各流動參數(shù)對流動阻力的影響，給出了計算摩擦壓降的經(jīng)驗關(guān)系式，同時，通過對影響摩擦壓降的諸因素進行分析認為，狹縫通道中流動沸騰的摩擦壓降可以用Lockhart-Martinelli 公式計算，但對Chisholm常數(shù)C要進行修正，通過對實驗數(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(ONB點)和蒸干點(DO

5、點)這兩個特征點是了解和計算強迫對流沸騰傳熱過程的關(guān)鍵。作者以高溫高壓環(huán)狀狹縫通道流動沸騰傳熱的實驗數(shù)據(jù)為基礎，分析了影響過冷沸騰起始點熱負荷的因素，給出了計算過冷沸騰起始點熱負荷的經(jīng)驗關(guān)系式，并將實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果進行了比較, 計算結(jié)果與實驗值符合得較好。此外，還對影響臨界截面含汽率的因素進行了分析，給出了計算臨界截面含汽率的經(jīng)驗關(guān)系式。 同時，以高溫高壓環(huán)狀狹縫通道流動沸騰傳熱的實驗數(shù)據(jù)為基礎，通過對影響狹縫通道中流動沸騰傳

6、熱特性的諸因素進行分析認為，努謝爾特數(shù)Nu不僅是雷諾數(shù)Re和普朗特數(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)實驗數(shù)據(jù)進行無因次分析，整理得到了可以用來預測環(huán)形狹縫通道中流動沸騰的傳熱特性的準則關(guān)系式。 空泡率是區(qū)分兩相流與單相流不同的重要標志。作者以高溫高壓下環(huán)狀狹縫通道中流動沸騰傳熱的實驗數(shù)據(jù)為初始條件，用Rouhani-Axelsson機理模型和Zube

7、r-Findlay關(guān)系式計算了環(huán)狀狹縫通道中過冷沸騰傳熱的空泡率。根據(jù)計算結(jié)果給出了改進的充分發(fā)展欠熱沸騰起始點 的經(jīng)驗關(guān)系式。為進一步研究飽和沸騰下的空泡率奠定了基礎。 以狹縫通道中流動沸騰傳熱的機理分析和高溫高壓環(huán)狀狹縫通道流動沸騰傳熱的實驗研究為基礎，將k-ε方程應用于汽液兩相流動中，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