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x摘 要：对海洋条件下窄矩形通道内自然循环流动阻力特性进行了实验研究。结果发现在本实验范围内，摇摆对层流摩擦阻力系数影响有限，但对湍流摩擦阻力系数影响较大，并对其理论计算公式进行修正，修正后的计算值与实验结果符合良好。对过渡区，拟合出新的摩阻系数计算公式。结果还发现在正向运动过程中转捩雷诺数比负向运动过程转捩雷诺数小。增大振幅、频率，减小功率均会促进转捩，但對正向运动过程影响更显著。
关键词：自然循环 矩形通道 海洋条件
中图分类号：TL33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0065-03
自福岛事件以来，监管部门及社会公众对核能系统的安全性提出更高的要求。由于不需要外部能源的输入，自然循环成为事故条件下保证堆芯安全的重要手段[1]。窄矩形通道换热面积大，设备结构紧凑，广泛应用在船舶动力系统设计中。但船舶行驶中受到海洋条件影响产生摇摆等运动，使冷却剂承受附加力，并周期性波动，影响系统的稳定运行。但国内外研究主要集中于圆管内自然循环流动[2-5]，缺少对窄矩形通道的研究[6-9]。本文对海洋条件下窄矩形通道自然循环流动阻力特性进行了实验研究。
1 实验系统装置及参数
对加热流动，壁面温度比流体高，在紧贴壁面的边界层内形成较大的温度梯度，而粘性降低，从而使通道内流体速度分布更加平坦。由图3可知负向运动过程主要处于热流密度上升区域，其壁面与主流流体温差比正向运动过程大，温度梯度大，其在近壁面附近速度梯度变得更大，导致壁面附近流体速度曲率减小，因此边界层内流动也更稳定，层流化趋势加强，其转捩雷诺数Rec较大。
增大振幅、频率，减小功率均会使Rec减小，即促进转捩。这是因为增大振幅与频率，摇摆更加剧烈，摇摆引起的扰动更加强烈，使粘性不足以耗散掉扰动，转捩提前发生。而降低功率相当于减小壁面附近流体温度梯度，增大速度曲率，减弱层流化趋势。以上因素对正向运动过程影响更显著。
4 结语
本文以去离子水为工质，对摇摆条件下窄矩形通道内自然循环流动阻力特性进行了实验研究。结果发现在本实验范围内。
（1） 摇摆对层流流动特性影响有限，对湍流流动特性影响较大。
（2） 正向运动过程中转捩Re比负向运动过程转捩Re小。增大振幅、频率，减小功率均会促进转捩，但对正向运动过程影响更显著。
参考文献
[1] ZVIRIN Y.A review of natural circulation loops in pressurized water reactors and other systems[J].Nuclear Engineering and Design，1981（67）：203-225.
[2] P. Naphade， A.Borgohain， R.ThundilKaruppa Raj， etal. Experimental and CFD Study on Natural circulation Phenomenon in Lead Bismuth Eutectic Loop[J].Procedia Engineering，2013（64）：936-945.
[3] YANG R C， LIU R L， ZHONG Y， et al. Experimental study on convective heat transfer of water flow in a heated tube under natural circulation[J].Nuclear Engineering and Design，2006（236）：1902–1908.
[4] Tan S C， SU G H， GAO P Z. Experimental and theoretical study on single-phase natural circulation flow and heat transfer under rolling motion condition[J]. Applied Thermal Engineering 2009（29）：3160–3168.
[5] WANG C， LI X H， WANG H， et al. Experimental study on single-phase heat transfer of natural circulation in circular pipe under rolling motion condition[J].Nuclear Engineering and Design，2014（273）：497-504.
[6] 幸奠川. 摇摆对矩形通道内流动阻力特性的影响研究[D].哈尔滨工程大学，2013.
[7] 谢清清，阎昌琪，曹夏昕，等.窄矩形通道内单相水阻力特性实验研究[J].原子能科学技术，2012，46（2）：181-185.
[8] 谭思超，王占伟，兰述，等.摇摆运动下窄矩形通道单相瞬变流动时均阻力特性研究[J].核动力工程，2013（34）：51-54.
[9] 阎昌琪，幸奠川，曹夏昕，等.摇摆条件下窄通道内单相水流态转捩特性[J].哈尔滨工程大学学报，2012，33（6）：791-795.
[10]M.Spiga， G.L.Morini. A symmetric solution for velocity profile in laminar flow through rectangular ducts[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，1994，21（4）：469-475.
[11]LEON T. ROMAN U. Two-phase gas-liquid flow in rectangular channels[J].Chemical Engineering Science，1984，39（4）：751-765.
关键词：自然循环 矩形通道 海洋条件
中图分类号：TL33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0065-03
自福岛事件以来，监管部门及社会公众对核能系统的安全性提出更高的要求。由于不需要外部能源的输入，自然循环成为事故条件下保证堆芯安全的重要手段[1]。窄矩形通道换热面积大，设备结构紧凑，广泛应用在船舶动力系统设计中。但船舶行驶中受到海洋条件影响产生摇摆等运动，使冷却剂承受附加力，并周期性波动，影响系统的稳定运行。但国内外研究主要集中于圆管内自然循环流动[2-5]，缺少对窄矩形通道的研究[6-9]。本文对海洋条件下窄矩形通道自然循环流动阻力特性进行了实验研究。
1 实验系统装置及参数
对加热流动，壁面温度比流体高，在紧贴壁面的边界层内形成较大的温度梯度，而粘性降低，从而使通道内流体速度分布更加平坦。由图3可知负向运动过程主要处于热流密度上升区域，其壁面与主流流体温差比正向运动过程大，温度梯度大，其在近壁面附近速度梯度变得更大，导致壁面附近流体速度曲率减小，因此边界层内流动也更稳定，层流化趋势加强，其转捩雷诺数Rec较大。
增大振幅、频率，减小功率均会使Rec减小，即促进转捩。这是因为增大振幅与频率，摇摆更加剧烈，摇摆引起的扰动更加强烈，使粘性不足以耗散掉扰动，转捩提前发生。而降低功率相当于减小壁面附近流体温度梯度，增大速度曲率，减弱层流化趋势。以上因素对正向运动过程影响更显著。
4 结语
本文以去离子水为工质，对摇摆条件下窄矩形通道内自然循环流动阻力特性进行了实验研究。结果发现在本实验范围内。
（1） 摇摆对层流流动特性影响有限，对湍流流动特性影响较大。
（2） 正向运动过程中转捩Re比负向运动过程转捩Re小。增大振幅、频率，减小功率均会促进转捩，但对正向运动过程影响更显著。
参考文献
[1] ZVIRIN Y.A review of natural circulation loops in pressurized water reactors and other systems[J].Nuclear Engineering and Design，1981（67）：203-225.
[2] P. Naphade， A.Borgohain， R.ThundilKaruppa Raj， etal. Experimental and CFD Study on Natural circulation Phenomenon in Lead Bismuth Eutectic Loop[J].Procedia Engineering，2013（64）：936-945.
[3] YANG R C， LIU R L， ZHONG Y， et al. Experimental study on convective heat transfer of water flow in a heated tube under natural circulation[J].Nuclear Engineering and Design，2006（236）：1902–1908.
[4] Tan S C， SU G H， GAO P Z. Experimental and theoretical study on single-phase natural circulation flow and heat transfer under rolling motion condition[J]. Applied Thermal Engineering 2009（29）：3160–3168.
[5] WANG C， LI X H， WANG H， et al. Experimental study on single-phase heat transfer of natural circulation in circular pipe under rolling motion condition[J].Nuclear Engineering and Design，2014（273）：497-504.
[6] 幸奠川. 摇摆对矩形通道内流动阻力特性的影响研究[D].哈尔滨工程大学，2013.
[7] 谢清清，阎昌琪，曹夏昕，等.窄矩形通道内单相水阻力特性实验研究[J].原子能科学技术，2012，46（2）：181-185.
[8] 谭思超，王占伟，兰述，等.摇摆运动下窄矩形通道单相瞬变流动时均阻力特性研究[J].核动力工程，2013（34）：51-54.
[9] 阎昌琪，幸奠川，曹夏昕，等.摇摆条件下窄通道内单相水流态转捩特性[J].哈尔滨工程大学学报，2012，33（6）：791-795.
[10]M.Spiga， G.L.Morini. A symmetric solution for velocity profile in laminar flow through rectangular ducts[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，1994，21（4）：469-475.
[11]LEON T. ROMAN U. Two-phase gas-liquid flow in rectangular channels[J].Chemical Engineering Science，1984，39（4）：751-765.