【摘 要】
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在核聚变反应堆中,偏滤器是直接面向等离子体的重要部件,需承受核聚变反应堆在正常运行和等离子体破裂时的极高热流密度,需研究一种高效的强化换热技术,以增强偏滤器在极高热流密度下的运行能力和工质的换热能力。实验以去离子水为实验介质,在单面受热流密度条件下,开展了聚变装置偏滤器的过冷流动沸腾的强化换热特性实验研究,将内肋强化换热技术与内插扭带结构相结合,利用两者的协同强化传热效应,设计出一种复合换热管。通
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在核聚变反应堆中,偏滤器是直接面向等离子体的重要部件,需承受核聚变反应堆在正常运行和等离子体破裂时的极高热流密度,需研究一种高效的强化换热技术,以增强偏滤器在极高热流密度下的运行能力和工质的换热能力。实验以去离子水为实验介质,在单面受热流密度条件下,开展了聚变装置偏滤器的过冷流动沸腾的强化换热特性实验研究,将内肋强化换热技术与内插扭带结构相结合,利用两者的协同强化传热效应,设计出一种复合换热管。通过实验研究了复合换热管的换热特性,并研究了各参数对换热特性的影响效果;根据实验数据利用非线性拟合方法得出高热流密度工况下的传热新关联式;最后研究分析了核态沸腾起始点处的传热特性,并通过与压降特性相结合,为偏滤器平稳运行提供理论支撑。（1）复合换热管换热与压降性能试验研究在实验参数分别为:质量流速,992-4960 kg/m~2 s;压力,0.4-2 MPa;入口过冷度,87.01-119.21℃;热流密度,1-16.3 MW/m~2范围内。对4种强化换热管（光管、内插扭带管、内螺纹肋管和复合换热管）的管内过冷流动沸腾的换热特性和综合性能评价指标（PEC）进行了对比实验研究。结果表明:与其他3种管道相比,复合换热管的对流换热系数和PEC最高,传热特性最好。研究了复合换热管的扭带扰动比、螺距、压力和质量流速对管内两相流动对流换热系数的影响规律,发现对流换热系数与螺距、质量流速呈正比,与扭带扰动比、压力呈反比。与其他3种换热管道相比,复合换热管的压降特性最大;随着质量流速的增加,压降特性逐渐增大;扰动比和螺距对于压降的影响呈相反趋势,压降随扰动比的减小和螺距的增大而增大。（2）过冷沸腾换热关联式评价通过收集现有四种过冷水流动沸腾传热模型,包括增强模型、叠加模型、渐进模型和核态沸腾模型,共计13个现存传热关联式来评价本实验中的换热实验数据。通过分析发现增强模型拥有最好的预测精度,而增强模型中Baburajan和Moles and Shaw的模型预测表现最好,因此本文在此基础上添加螺径比t/Dh和扰动比y的影响,拟合提出了本实验条件下复合换热管在过冷沸腾时的努塞尔数公式,实验值与预测值之间误差在±15%之间,MAE和RMSE分别为5.69%和7.55%,表明实验数据与新公式预测值之间的一致性较好。（3）浮升力及两相流特征点研究通过对复合换热管内浮升力及过冷沸腾起始点（ONB）的研究,对比分析了在相同工况参数下格拉晓夫数Gr随Nu的变化情况,主要研究了扰动比,螺距和质量流速的影响。结果表明:Nu随Gr的增大均表现为明显减小的趋势。且该趋势随Gr的增大而逐渐减小。各参数对于ONB点的影响表现为:质量流速越大,ONB处的壁面过热度和热流密度越大,压力越高,管壁过热度ΔTsat越低但热流密度q越高。螺距越大对应ONB处壁面过热度和热流密度越大,而扰动比仅对ONB处热流密度产生影响,扰动比越大对应ONB点热流密度越小。最后对比分析了两种ONB处热流密度模型:空穴模型和实验数据模型,共计9个关联式,结果表明Jens and Lottes和Thom等人的关联式拥有最好预测精度,在此基础上,通过非线性拟合得出适用于复合换热管过冷流动沸腾ONB点处壁面过热度的新关联式,关联式整体预测误差在±20%之间,其MAE和RMSE分别为13.49%和16.8%,可以较好预测实验结果。图[37]表[6]参[90]
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