管束通道内单相及两相沸腾换热特性及流动特性的研究

【摘要】： 汽液两相流动与传热问题广泛存在于动力工业、化学工业、石油工业以及各种加工工业的换热设备中。其中反应堆堆芯的热工水力分析,蒸汽发生器内的流动与传热,汽轮机与凝汽器内的流动与传热都是典型的汽液两相流问题。管束通道内流动和传热特性的研究在提高蒸汽发生器和反应堆燃料棒束的安全性和经济性等方面都有着重要的现实意义。本课题通过理论和实验研究,对管束间狭窄通道这一特殊流道结构内的流动、传热及流型转变特性进行深入探讨,从而为实际工程设计及应用提供参考依据。 在参考大量国内外文献的基础上,结合本课题组多年来开展汽液两相流流动特性的研究成果,在国家自然科学基金(50476015)的支持下,进行了管束通道沸腾流动换热实验台搭建,分别对不同倾斜角度的管束通道进行了单相和两相沸腾流动阻力特性、换热特性以及过冷沸腾起始点和沸腾两相流型转变特性的实验研究和理论分析,研究工作主要内容及结果如下: (1)鉴于大多数沸腾起始点研究都是针对管内对流传热的研究情况,本文在可倾斜多相流动沸腾实验装置上进行了垂直和倾斜管束通道内沸腾起始点的研究,通过改变管束通道的倾斜角度,探讨了倾角对管束通道沸腾起始点的影响规律。通过改变管束通道的流道尺寸、质量流速、加热密度等,分析研究了这些因素对沸腾起始点的影响;建立了垂直及倾斜管束通道内过冷沸腾起始点高度的计算公式;得出了管束通道内过冷沸腾起始点产生条件,拟合了适用于管束通道内过冷沸腾起始点计算式,为管束通道内沸腾两相流动和换热研究提供了定量参数。 (2)鉴于大多数两相流流型研究都是针对圆管、环形通道或微通道,而管束通道截面的复杂结构对两相流型及其转变有很大影响,本文对管束通道内的沸腾两相流流型进行了实验观测,利用高速摄像技术,获得了管束通道内汽-液两相流的流型,并对其两相流型的转变特性进行研究,分析了管束通道的结构尺寸对流型及其转变的影响,在此基础上对管束通道内沸腾两相流型与圆管中流型的差异进行比较、分析。 (3)对垂直和倾斜管束通道内的单相及两相沸腾换热特性进行实验研究,分析了管束通道与普通圆管通道内换热特性的差异。采用两种不同方法对单相换热及沸腾换热特性的进行数据处理,分析了不同数据整理方法所得平均换热系数的差别;另外,实验结果表明管束通道内单相对流换热从层流到紊流的转变明显比普通圆管内的转变提前;在实验的基础上对流道尺寸、质量流速、加热功率、流动方向、Bo数、Nconf数、加热方位等因素对管束通道内单相及沸腾换热的影响进行分析,得到了可用于管束通道内单相对流换热及沸腾换热的计算式,并与国内外学者所得结论进行了对比分析。 (4)对垂直和倾斜管束通道内的单相及两相沸腾流动阻力特性进行实验研究,探讨了管束通道内流动阻力特性与普通圆管或环形通道内的流动阻力特性之间的差异,对不同因素对管束通道内流动阻力及沸腾压降的影响进行分析,在此基础上对Chisholm关系式和Tran关系式进行了修正,得出了可用于计算管束间通道内单相流动摩擦阻力及沸腾摩擦压降的实验关联式,为管束通道换热设备的计算、设计提供参数。 (5)根据管束通道的结构尺寸建立了描述管束通道中流动沸腾传热的子通道数学物理模型,对管束通道内流动沸腾传热的速度场、温度场和压力场等流动现象进行模拟计算。通过对数值计算结果和实验测量数据的对比表明,所建立模型的计算结果与实验数据吻合较好,可以用来模拟管束通道中的沸腾流动换热。