容积控制箱内淹没射流驱动的气液传质研究

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压水堆核电站容积控制箱(容控箱)内部存在气液界面,在此界面上会发生气液传质。容控箱内的气液传质由淹没射流驱动,目前很少有对淹没射流驱动气液传质的研究。现有研究的气液传质主要由三种流动方式驱动,分别为明渠流动、网格震荡湍流和自然对流。本文构建容控箱内淹没射流驱动气液传质实验台,在1.3×105<.Re<2.5×106,135<Sc<580范围内开展实验,分别研究流体温度、入流流量、总压、射流直径和射流高度对气液传质的影响。将表面散度理论与CFD(Computational Fluid Dynamics)模型相结合,构建了容控箱内淹没射流驱动气液传质数值模型。针对部分实验工况进行数值模拟计算,解释了淹没射流驱动下的气液传质机理。当不考虑几何结构的变化时,得到无量纲传质系数舍伍德数(Sh)与雷诺数(Re)和施密特数(Sc)的实验关联式。实验关联式与实验值最大偏差为14.1%,与实验值吻合良好。当考虑射流直径变化时,引入管径比d/d0,得到Sh数与Re数、Sc数和管径比d/do的实验关联式。实验关联式与实验值最大偏差为22%,同样与实验值吻合良好。实验结果表明,随着入流流量的增加,传质系数KL和传质通量Ni均增大。温度的升高会导致KL升高,但对Ni无明显影响。随着工作压力的增加,Ni增大,但KL变化不明显。射流直径的减小对KL和Ni均有促进作用。此外,KL与Re数和DAB0.52成正比,DAB是气体的扩散系数。结合数值模拟数据,从传质阻力及传质驱动力两部分分析了淹没射流下的传质机制。传质阻力部分主要由三种机制决定,其一是宏观尺度旋涡(大涡)对气液界面流体的更新作用。在淹没射流下主要有三种大涡结构对气液界面有直接更新作用,分别为射流入口上方双旋涡结构、气液界面处的表面射流和对称面内射流末端旋涡。其二是微观尺度旋涡(小涡)对气液界面流体的更新作用,可由Kolmogorov尺度η进行表征。其三是气体自身扩散能力的大小,表现为扩散系数DAB的大小。对气液界面流体更新作用越强,气体自身扩散能力越强,传质阻力就越小,传质过程越剧烈。传质驱动力部分主要由气体溶解度Csat和液相主体浓度Cbulk之差决定,差值越大,传质过程越剧烈。其中,流体温度通过η、Csat和DAB对传质施加影响。入流流量通过η和大涡更新对传质施加影响。总压通过Csat对传质施加影响。射流直径通过η和大涡更新对传质施加影响。射流高度对η与大涡更新均有影响,但效果上相互抵消,影响并不明显。
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