窄空间流道内沸腾两相流动振荡特性的实验研究

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窄空间流道具有结构紧凑,换热效率高的优点,在先进核反应堆、电子冷却等领域有着广泛的应用。但由于窄空间流道较常规流道的尺寸减小,会导致流动阻力的增加。尤其在沸腾两相流动中,由于流道尺寸的限制,窄空间流道内流型转变伴随着两相流动压降的强烈变化,更加容易导致沸腾两相流动振荡的发生。当流道内出现流动振荡时,一方面会导致系统流量、压力等出现波动,对系统稳定性造成影响;另一方面,持续的振荡行为还会导致系统出现机械疲劳,严重时甚至会导致系统发生破坏性故障。因此,研究窄空间流道内的流动振荡特性及其影响因素对提高系统设计以及运行的安全性具有重要意义。  本文基于可视化实验,针对单流道和带旁通单流道两种流道结构的沸腾两相流动振荡特性开展研究,分析工况参数以及空泡行为对两相流动振荡特性的影响。研究发现,在单流道内,流动振荡周期在数十秒,但压降与质量流速振幅较低,属于低频低振幅的振荡行为。壁面温度、质量流速和压降具有相同的振荡周期,且在单个周期内均呈现出明显的三个不同阶段。通过可视化观察,在实验段出口发现泡状流与弹状流不断转变;流型转变是决定振荡周期的主要因素。而带旁通的窄空间流道内振荡周期很短只有几秒,但质量流速振荡幅度远超单通道质量流速振幅,属于中高频高振幅振荡行为。在入口水温为60℃时,随着热流密度的增大,系统从稳定状态直接发生沸腾临界,并未发生明显的振荡行为。入口水温对振荡特性影响较小,质量流速振荡幅度随热流密度增加并没有呈现出单调增大的现象。质量流速对振荡后其振荡幅度的影响较大。同时,在实验段出口观察到了泡状流、弹状流、搅混流、环状流以及在发生流动振荡后,出现沸腾临界并进入滴状流。不仅流型转变会对振荡周期产生影响,加热壁面附近汽液界面波动的影响也不可忽视。
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