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《哈尔滨工程大学》 2016年
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摇摆条件下窄矩形通道内流动不稳定性研究

余志庭  
【摘要】:核推进以其能量密度大、续航能力强等优点而广泛应用于船舶动力领域,如核动力舰船、核动力商船以及海洋核动力平台等。由于受船舶核动力装置的空间限制,具有紧凑结构的板状燃料元件和换热器的布置是必要的。海洋条件会引起冷却剂发生周期性波动,当出现不稳定性时,二者相互作用使得系统呈现更加复杂的流动形态。本文主要针对摇摆条件下窄矩形通道内的流动不稳定性开展了全面的实验研究和非线性分析。以去离子水为实验工质,开展竖直静止及摇摆状态下窄矩形通道内的低驱动压头强迫循环流动不稳定性实验研究。静止实验中观察到了密度波脉动(DWO)、压力降脉动(PDO)以及Ledinegg不稳定性,获得了本论文的流动不稳定性起始点(OFI)预测关系式和流动不稳定边界,并与常规通道和微通道内流动不稳定性机理进行对比。随着质量流速的逐渐降低,摇摆工况依次出现了单相波动、波谷型脉动、耦合型脉动以及两相波动。其中波谷型脉动是典型的摇摆诱发的两相不稳定性,其形成机理是波谷处的剧烈产汽,耦合型脉动是摇摆引起的热工水力脉动与PDO之间的叠加。从波动幅度、频谱特征以及流型对摇摆条件下强迫循环流动不稳定性的演化特性进行分析,并将其分为摇摆占优区、共振耦合区以及热工水力占优区。对竖直及摇摆条件下窄矩形通道内的自然循环流动不稳定性进行实验研究,其结果表明竖直自然循环工况会出现静态流量漂移现象和DWO,系统压力的增加或入口过冷度的降低会导致流量漂移被削弱直至消失。通过由相变数(Npch)和过冷度数(Nsub)组成的二维相空间中确定DWO的边界,结果显示DWO的范围较广,且在本实验参数范围内压力(p = 0.1~0.3MPa)对其边界的影响不明显。实验研究还表明摇摆运动会导致自然循环工况OFI提前发生,但却引起耦合型脉动的滞后,这是由于波谷型脉动是由冷却剂波动诱发的,而耦合型脉动则是以DWO的发生为前提,且受摇摆剧烈程度的影响。在本论文参数范围内,摇摆参数对OFI的影响不明显,但随着摇摆剧烈程度的增加,耦合型脉动起始点滞后现象越来越明显。摇摆引起的空间位置变化使得自然循环静态漂移现象提前发生,即系统的自然循能力限和输热能力限会减小,随着摇摆角度的增加,这种减小的程度越大,但摇摆周期的影响不明显。此外,摇摆诱发的逆流现象使得入口水温出现波动,且导致了系统流动不稳定性提前发生,从而大大降低了系统的安全阈值。通过快速傅里叶分析(FFT)和小波分析,分别从频域和时频域研究了摇摆工况下热工水力系统的频率结构特征及其分布特性,其结果表明摇摆对应频段的能量出现先增加后减小的非线性趋势,这是因为在耦合共振区域摇摆运动与热工水力脉动之间的共振作用使得信号波动加剧,而随着热流的增加,热工水力因素明显占据优势,系统阻力和驱动力的增加使得摇摆的影响被削弱。通过相空间重构、刻画吸引子结构以及计算关联维数、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指数等几何特征量对摇摆条件下的流动不稳定性进行非线性分析,分析结果表明随着热流密度的增加,系统的非线性程度逐渐增加并最终趋于与静止工况一致。在热流密度较低的单相区域内摇摆参数对系统非线性程度的影响较小,而在波谷型脉动和耦合型脉动区域,摇摆强度的增加会减小系统的无序程度。此外,基于非线性理论,分别从驱动力和耗散力间的竞争关系以及系统熵变的角度分析了摇摆对热工水力系统流动不稳定性的影响机理。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TL33

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