窄矩形通道内两相简谐脉动流阻力特性研究

摘要

海洋条件以及核电厂某些事故工况下的核动力设备处于周期性变化的力场中，设备、管路中的流体流动受到该力场的影响，流量、压力、含气率相应地发生周期性变化。对于某些两相问题，须尤其关注其压力的波动幅度、波动频率以及含气率的变化，如果压力波动剧烈，流量及含气率可能随之剧烈变化，极限状态下会出现失流、蒸干等现象，易造成严重的安全事故，例如沸腾换热产生的气液两相流动在事故工况下，当压力波动超限，如果管路某个位置出现失流、蒸干的现象，热量不能被及时带走，被熔穿，造成管路破损，酿成更严重的破口、失水事故。板式元件（窄通道），因其具有体积小，布置紧凑等优点，被广泛应用在需紧凑布置的核电设备中，在获得体积优势同时，也带来了阻力增大、承压能力下降的缺点。因此，本文的研究目的就是探索周期性变化力场中，狭窄通道内的单相和两相流阻力变化规律和计算方法，以及影响两相流阻力的重要参数含气率的变化规律。主要方法是实验研究两相简谐脉动流压降与流量、含气率之间的对应关系；数值模拟两相简谐脉动流动参数的变化过程。本研究丰富了核动力热工水力研究内容，为核动力装置在运动条件下的热工水力分析和安全分析提供参考。
　　在研究中，将周期性变化力场理想化为简谐脉动力场。由傅里叶级数可知，各种复杂的周期性力场均可以由若干简谐力场叠加得到；另外，简谐力场又是其它周期变化力场的一阶近似。实验中，通过控制水泵转速使流体做简谐脉动流动，流过宽40mm，高3mm水平放置的透明实验通道，通过高清摄像机记录流道内的相分布变化，同时用高精度测量仪表实时记录两相脉动流的压降、流量参数并实时显示，实现可视化研究。通过对单相简谐脉动流动的数据分析，发现简谐脉动工况的平均摩擦压降、压降振幅互相影响，并同时受脉动频率的影响。利用层流模型推导了单相简谐脉动流的速度径向分布表达式和压降-流量相位差的表达式，发现速度径向分布是实时变化的，并且偏离抛物线的程度受相对振幅和频率的影响；在实验频率范围内，流量-压降的相位差与管径大小正相关和脉动频率负相关，对管路形状不敏感。利用相似理论拟合了平均压降和压降振幅的计算式，并提出用动态响应方法计算压降振幅、压降-流量的相位差，该方法把研究不同工况下流量-压降的频率、振幅对应关系和相位差变为研究压降-流量动态响应传递函数的常数，传递函数的常数与振幅、频率无关，因此该方法可以有效简化单相和两相简谐脉动流动的实验研究。通过对两相简谐脉动流的压降、流量、含气率数据进行研究，发现脉动工况平均摩擦压降对脉动周期、振幅不敏感，发现利用Lockhart-Martinelli方法计算简谐脉动平均压降时，分液相折算系数与含液率的倒数有较强的线性关系，而不是平方关系，并且通过该线性关系计算的平均压降的误差很小，5％以内。为了准确获得整个实验段的瞬时含气率进而研究利用瞬时含气率计算两相简谐脉动流压降的效果，编写了图像处理程序，可以较为准确地识别气泡边界，并以此为基础设计了一种迭代的方法来还原实验段空间平均含气率的瞬时值。发现含气率的瞬时变化比较随机，不能准确地计算两相瞬时压降。但是可以利用拟合的单相简谐脉动流振幅的计算式计算分液相折算系数，来计算两相简谐脉动压降振幅，从而较为准确地得到两相压降的瞬时值。动态响应方法同样可以较为有效地计算两相简谐脉动工况压降与液相流量之间的相位差。本文也给出了利用均相流模型计算两相简谐脉动流平均摩阻系数和瞬时摩擦压降的计算式，当压降相对振幅小于1时，该计算式的计算误差较小。为了寻找两相简谐脉动流压降变化规律性强但含气率变化较为随机的原因，对两相简谐脉动泡状流采用界面追踪法进行了二维直接数值模拟，发现计算区域内的流量与压力梯度之间具有较强的一致变化规律，在脉动频率较小时出现气泡聚合的现象，但是气泡聚合程度却比较随机，从而在一定程度上验证了实验现象。另外用三维直接数值模拟验证了二维数值模拟中气泡聚合的现象。

目录

声明

符号表

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 两相流的数值模拟

1.4 本论文主要研究内容

第2章 气液两相简谐脉动流的实验装置和实验方案

2.1 简谐脉动流的实验装置

2.2 简谐脉动流的实验内容及步骤

2.3 本章小结

第3章 单相简谐脉动流阻力特性分析

3.1脉动工况的摩阻系数

3.2压降与流量之间的相位差

3.3本章小结

第4章 两相简谐脉动流阻力特性分析

4.1气液两相简谐脉动流两相平均阻力特性

4.2通过图像处理获取截面含气率

4.3瞬时整体截面含气率的获取

4.4两相简谐脉动流的阻力振幅

4.5两相压降—流量相位差

4.6 两相简谐脉动流摩擦压降—均相流模型算法

4.7 本章小结

第5章 简谐脉动泡状流的数值模拟

5.1 简谐脉动泡状流的数值模拟方法

5.2 无量纲数对空间平均速度振幅和气泡分布的影响

5.3 讨论

5.4 本章小结

结论

攻读博士学位期间发表的论文与取得的成果

致谢

参考文献

附录界面追踪法的MATLAB演示程序