矩形窄通道内PM--CHF特性实验研究

摘要

窄矩形通道有着比常规通道更高的功率密度和更大的换热面积，所以其被广泛地应用在中小型反应堆、研究实验堆、航空航天紧凑型换热器和微电子等领域。临界热流密度(CHF)是沸腾传热的极限。所以，准确预测出临界热流密度对反应堆的安全运行和提高输出功率尤为重要。由于几何形状的不同和窄边可能带来的尺度效应的影响，窄矩形通道的流动传热特性与其他棒束、圆管、环管等常规通道有很大的不同，建立在上述常规通道下的CHF经验关系式和机理模型不能直接应用在窄矩形通道内。因此，有必要开展窄矩形通道内的临界热流密度实验研究。 本文以去离子水为工质，进行了低压条件下强迫循环系统中单面加热窄矩形通道CHF可视化研究。研究发现，逐步提升功率的过程中，会发生流量漂移不稳定性导致的流动剧烈震荡，进而诱导沸腾临界提前发生，即PM-CHF（Premature CHF，早发临界热流密度）。发生流动震荡时的含汽率本文称作临界含汽率xe，c。xe,c-G曲线存在一个明显的转捩点。在本实验的配置条件和工况范围内，此转捩点的值大约为400kg/(m2·s)。根据此转捩点可以将PM-CHF分为低流速PM-CHF和高流速PM-CHF。 (1)低流速情况下，流型从弥散泡状流到合并汽泡流的转变导致了PM-CHF的发生。PM-CHF随着入口过冷度增加而增加，随着流量的增加增加，随着系统压力的增加而增加。临界含汽率随着入口过冷度的增加而降低，随着流量的增加而降低。可以用流动不稳定起始点的预测关系式来预测PM-CHF。改进Stelling关系式对PM-CHF实验值的预测精度较好，所有实验数据均在预测值的±17％以内。 (2)高流速情况下，矩形通道的角落效应导致了PM-CHF的发生。PM-CHF随着入口过冷度增加而增加，随着流量的增加增加，随着系统压力的增加而增加。临界含汽率随着入口过冷度的增加而降低，随着流量的增加而增加。改进Stelling关系式对PM-CHF实验值的预测精度较好，所有实验数据均在预测值的±15％以内。