聚变堆偏滤器过冷流动沸腾临界热流密度模拟分析

【摘要】：聚变堆偏滤器承受极高热负荷,当所受热载超过临界热流密度(CHF)时,会出现偏离泡核沸腾(DNB,传热恶化的形式之一)现象,从而致使换热系数发生骤降,管道温度飞速增高,最终导致偏滤器损坏,极大威胁着聚变装置的运行寿命。临界热流密度是偏滤器安全评审中重要的热工水力参数,因此研究临界热流密度对偏滤器冷却系统设计、安全运行具有重要意义。本文以水作为冷却介质,分析了过冷流动沸腾临界热流密度传热理论与模型,在高质量流速高热负荷条件下,通过运用Fluent软件,采用欧拉多相流模型结合临界热流密度及其两相相互作用模型对竖直向上单边加热光滑管和内插扭带管的CHF和压降进行了研究。(1)热力学参数对过冷流动沸腾CHF的影响利用Fluent软件,对模型进行了有效性验证,分析了固体组件的温度场。对过冷沸腾传热规律进行了分析。探讨了内插扭带管质量流速与入口过冷度对CHF的影响规律。研究结果如下:在冷却管横截面上有两种冷却模式:欠热泡核沸腾区和液体单相对流传热区,在靠近热载面区域,欠热泡核沸腾起主要作用。远离热载面区域,液体单相对流传热为主要冷却模式。随着热载的增大,横截面上欠热泡核沸腾区域逐渐扩大;临界热流密度随着质量流速的增大而变大,在其他水力学参数相同时,质量流速为G=9756 kg/m~2 s比质量流速G=9000 kg/m~2 s发生DNB的位置滞后37.33%,同时,比质量流速G=8000 kg/m~2 s发生DNB的位置滞后104.76%;临界热流密度随入口过冷度的增加而增大,在其他水力学参数相同时,入口过冷度ΔT_(sub,in)=157 K比入口过冷度ΔT_(sub,in)=107 K发生DNB的位置滞后85.63%,比入口过冷度ΔT_(sub,in)=57 K发生DNB的位置滞后91.19%。(2)结构参数对过冷流动沸腾CHF的影响在高质量流速高热负荷条件下,研究了长径比、内插扭带管的扰动比和扭带宽度比对CHF的影响。研究结果如下:与光滑管内流场相比较,内插扭带管能有效地推迟偏离泡核沸腾(DNB)发生,延迟传热恶化;临界热流密度随着长径比的增加而减小,且长径比越小,其对壁面温度急剧上升的延迟作用越明显。在其他参数相同时,管道长径比L/D=21.4要比管道长径比L/D=27.3发生DNB的位置滞后69.86%,比L/D=36发生DNB的位置滞后169.51%;减小扰动比可延迟内插扭带管的壁温飞升,增加临界热流密度,且较小的扰动比对CHF的影响更大。在其他参数相同时,扰动比y=6比y=10发生DNB的位置滞后27.88%,比光滑管发生DNB的位置滞后120.64%;内插扭带管扭带宽度比的增大可延迟管道内壁壁温飞升,使临界热流密度增加。在其他参数相同时,扭带宽度比w=0.43比w=0.29发生DNB的位置滞后36.04%,比光滑管发生DNB的位置滞后141.66%。(3)过冷流动沸腾压降分析分析了光滑管与内插扭带管结构参数(长径比、扰动比、扭带宽度比)与热力学参数(质量流速、入口过冷度)对过冷流动沸腾压降的影响。研究结果如下:随着长径比的增加,进出口压降不断增加。在其他参数不变时,长径比L/D=36比L/D=27.3的压降大121.87%,比L/D=21.4的压降大221.76%;随着扰动比的减小,内插扭带管进出口间的压降不断增加。在其他参数不变时,扰动比y=2比y=6的压降大19.74%,比y=10的压降大21.89%;随着扭带宽度比的增加,进出口压降也不断增加。在其他参数不变时,宽度比w=0.86比w=0.43的压降大3.83%,比w=0.29的压降大10.80%;随着质量流速的增加,进出口压降增加。在其他参数不变时,质量流速G=12000 kg/m~2 s比G=9756 kg/m~2 s的压降大20.21%,比G=8000 kg/m~2 s的压降大68.85%;随着入口过冷度的减小,进出口压降增加。在其他参数不变时,入口过冷度ΔT_(sub,in)=57 K比ΔT_(sub,in)=107 K的压降大18.02%,比ΔT_(sub,in)=157 K的压降大24.86%。图[42]表[5]参[60]。