窄隙流道内欠热沸腾传热特性研究

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欠热沸腾是沸腾换热过程的一个重要组成部分,是沸腾研究领域中的一个重点和难点问题。由于在欠热沸腾过程中,在通道的同一截面上流体中存在温度差,加热通道中的工质存在热不平衡问题,因此给流体参数的计算带来很大困难。近年来随着核反应堆技术的快速发展和高效换热器的出现,人们在研究沸腾的机理和欠热沸腾的起因方面开展了大量的工作,不断提出各种机理模型和计算关联式。同时由于压水反应堆内在很多工况下都会出现欠热沸腾,因此对欠热沸腾问题的研究引起了很多学者的关注。  本文对窄隙内的欠热沸腾问题进行了较系统的实验研究和理论分析工作,研究工作分为两个主要部分:一部分是强迫循环时的欠热沸腾研究,另一部分是自然循环工况下的欠热沸腾研究。比较系统地研究了加热过程中壁温的变化,分析了壁温变化对沸腾传热的影响;在此基础上通过可视化的方法研究了欠热沸腾过程中的气泡行为,分析了气泡行为对沸腾传热的影响。对强迫循环欠热沸腾中的欠热沸腾起始点、净蒸汽产生点等关键参数进行了实验研究和理论分析,对欠热沸腾过程中空泡份额的变化进行了深入的研究,给出了计算欠热沸腾区空泡份额变化的关系式。对窄隙内的欠热沸腾进行了大量的实验研究和理论分析,主要的研究内容如下:  (1)对蒸汽加热的矩形窄隙流道沸腾时的启动壁温变化特性进行了研究,对工质流量、入口欠热度以及加热功率等因素对壁温变化的影响进行了实验研究和理论分析。同时对无换热和有换热两种情况的壁温变化过程进行了数值分析,将实验值与公式计算值进行了比较。  (2)对矩形窄隙通道内沸腾过程中的气泡行为和两相流流型进行了可视化研究,并对单个气泡的受力进行了分析,在此基础上分析了气泡滑动对传热的影响。  (3)研究了强迫循环时欠热沸腾起始点的特征,通过实验研究和理论分析研究了欠热沸腾时的沸腾起始点ONB的确定方法,给出了确定ONB点的计算关系式。将计算关系式与实验结果进行了对比,对比的结果说明,公式的计算结果与实验值符合较好,计算误差在可接受的范围内。对欠热沸腾的净蒸汽产生点(OSV)进行了较详细的研究,将现有资料发表的典型计算模型与实验数据进行了对比分析,对比的结果表明Saha-Zuber的关系式与各实验值都能很好的符合,该公式可作为净蒸汽产生点的计算依据。  (4)对欠热沸腾过程中通道内空泡份额的变化作了理论研究和实验研究,根据加热通道内热量平衡的关系推导了欠热沸腾通道内欠热沸腾时空泡份额的变化规律,给出了计算欠热沸腾区内空泡份额变化的公式,将实验结果与理论公式进行了比较,两者符合较好。  (5)通过实验和理论分析对自然循环情况下的欠热沸腾问题进行了研究。研究发现,在自然循环欠热流动沸腾中,在一定参数范围内,加热通道入口欠热度增加导致沸腾区域壁面温度出现逆向上升现象,并由此引起换热系数的急剧下降,流动与换热间有自适应特性,即在中低负荷条件下,流道内流体轴向温度分布基本不受加热负荷大小的影响,可以在一定程度上保持稳定不变。
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