空气--水逆向流动限制相间平衡机理模型的研究

摘要

气液逆向流动现象在工业系统实际应用中广泛存在，该现象对于设备的安全性与经济性有着非常重要的作用，对于核电厂反应堆中大破口事故而言，环形下降通道内的气液逆向流动因为对应急冷却水的注入关系到堆芯熔融的问题。目前已有的液泛预测模型多是基于Wallis关系式进行的修正，主要是关于无量纲液相及气相表观流速的简单线性拟合，而气液两相间界面摩擦力作为液泛中的重要参数，关注尚少，本文基于实验与数值模拟研究手段，研究了液泛过程中的物理特征及发生机理，并在此基础上建立了新的液泛预测关系式。　　本文基于常温常压下25mm管径的圆管中空气水逆向流动实验，采用平行电极探头测量了逆向流动过程中的液膜厚度，得到了液膜随气相流速的变化特性；采用高速摄像仪拍摄管内流动形态，结合液膜变化特性及可视化结果分析了小液相流速及大液相流速下不同的液泛机制，即界面波的向上传播与管内架桥形成搅混流型，并认为在两种液相流速范围之间存在包含两种液泛机制的过渡区域。除此之外，对液泛过程中液膜的变化从时域及频域上进行了分析得到了液膜波动特性，得到液泛过程中频谱特性呈波峰型分布，峰值基本出现于频率为0-10Hz之间。　　基于对液泛过程中的物理特性的分析，通过建立逆向流动过程中的动量方程得到考虑了界面及壁面摩擦力的液泛预测模型，并对已有的界面摩擦因子模型进行了评估，确定了基于Moeck等人的模型进行修正，并在不同液相流速范围分别建立了适用于本实验条件的界面摩擦因子模型，同时在模型中引入Bo数以适用于不同管型及尺寸的通道中，最终建立了适用性较好的液泛预测模型，并采用不同尺寸下的圆管及矩形通道中的液泛数据验证，在95%的置信区间内，误差结果基本在30%以内。　　基于数值计算对液泛中界面波进行了分析，对比了界面波形与液膜厚度的变化过程，发现两者变化趋势基本一致，同时通过观察界面波生长过程中的流场变化，发现界面波的迎风面及背风面存在压差，形成对界面波的向上附加作用力，从而加速了波峰被气流撕碎或使界面波向上移动形成液泛。

目录

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目录目录

主要符号表

1 绪 论

1.1研究背景

1.2.1物理过程

1.2.2液泛发生机制

1.3.1液泛研究的发展历程

1.3.2实验研究

1.3.3 CCFL的数值模拟

1.4液泛预测模型

1.4.1机理模型

1.4.2半经验关系式

1.4.3经验关系式

1.5界面摩擦因子模型及与CCFL的关系

1.6液膜厚度对CCFL的影响及模型

1.7本文主要工作

2 实验系统介绍

2.1 实验回路介绍

2.2 实验段介绍

2.3 测量仪器仪表

2.3.1 平行电极探头

2.3.2 高速摄像仪

2.3.3 其他测量仪表及参数确定

2.4 实验误差分析

2.4.1 直接测量误差

2.4.2 间接测量误差

3 CCFL现象的机理分析

3.1.1 多孔注水

3.1.2 直接注水

3.2.1 小液相流速

3.2.2 大液相流速

3.3本章小结

4 液泛过程波动特性

4.1.1 自由下降液膜

4.1.2 液泛过程液膜波动特性

4.2.1 液相流速的影响

4.2.2气相流速的影响

4.3本章小结

5 CCFL限值的理论模型及验证

5.1 逆向流动的含液率

5.2 界面阻力关系式的评估和改进

5.3 液泛关系式的改进和验证

5.4 注水方式对关系式的影响

5.5本章小结

6 液泛界面波数值模拟研究

6.1 数学模型

6.2 几何模型及边界条件

6.3.1波形分析

6.3.2 气相流速的影响

6.3.3 流场分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 创新点

7.3 研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢