摇摆对矩形通道内流动阻力特性的影响研究

摘要

小通道换热技术是实现船舶动力系统换热设备小型化的有效方法之一。不同于陆基核反应堆,船舶核反应堆始终处于运动条件下,其中船身摇摆过程对冷却剂热工水力特性的影响最为复杂。摇摆使冷却剂受惯性力作用,同时引起重力沿流动方向分量改变,从而影响动力装置的运行特性。
　　本文对摇摆条件下矩形小通道内流动阻力特性进行了实验研究和理论分析。实验在常温常压下进行,以空气和去离子水为工质。5个实验段当量直径的范围为2.73~5.99mm,高宽比为0.033~0.075。分液相雷诺数和分气相雷诺数的范围分别为200~21000和221~8310,摇摆周期和摇摆振幅的范围分别为8s~20s和10°~30°。采用调节离心泵转速的方式获得不同驱动压头,以比较摇摆运动对单相强迫循环的不同影响。
　　单相可视化实验及流量波动理论模型表明,开放回路和闭合回路流量波动特性主要影响因素分别为总重位压降和附加压降。单相流量波动幅值随有效驱动压头增加而减小,随波动压降幅值增加而增大,当有效驱动压头大于波动压降幅值的10~11倍时,流动趋于稳定。单相流阻力特性实验表明,摇摆对单相流摩擦阻力的影响随驱动压头增加而减弱,驱动压头较高时,摇摆的影响可忽略。驱动压头较低时流量周期性波动,摩擦压降波动幅值随摇摆振幅增加而增大,随平均流速增加而减小,随摇摆周期的变化因回路不同而存在差异。
　　建立了单相层流二维动量守恒方程,其预测的摩阻系数与实验值有较好的一致性。摇摆运动对单相流摩擦阻力的影响机理为:驱动压头较低时,摇摆引起入口流量周期性波动,从而导致壁面切应力周期性变化,进而引起宏观摩擦阻力周期性波动;驱动压头较高时,摇摆仅引起沿流动方向的附加压降,不影响壁面切应力及宏观摩擦阻力。得到了高驱动压头下单相层流摩阻系数和转捩雷诺数理论关系式;并基于能量梯度法研究摇摆运动引起的流量波动对流态转捩的影响。
　　对于两相流动,摇摆对摩擦阻力的影响随液流速增加而减弱。液流速较低时,相对摩擦压降梯度波动幅值随气流速增加而降低,随摇摆参数的改变没有明显变化;液流速较高时,摩擦压降梯度不波动。摇摆运动对两相流时间平均摩擦阻力没有明显影响。ChisholmC、Lee&Lee及Mishima&Hibiki关系式能很好地预测摇摆条件下平均摩擦阻力,但不能用于周期性瞬变摩擦压降的计算。基于分相流模型提出了能预测周期性瞬变摩擦压降的关系式。
　　摇摆运动通过改变气液界面摩擦特性来影响两相流宏观摩擦阻力。稳态倾斜条件下相界面分布不变,摩擦阻力不波动。摇摆条件下瞬变力引起气泡加速度沿流动方向周期性改变,同时引起气泡周期性横向运动,从而导致宏观摩擦阻力周期性波动,后者为主要影响因素。摇摆周期较大时,重力横向分量为主要影响因素;摇摆周期较小时,科氏惯性力的影响不可忽略。

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第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2矩形通道内流动阻力研究进展

1.3海洋条件下热工水力研究进展

1.4本文主要工作

第2章 摇摆条件下单相流摩擦阻力实验

2.1实验装置与数据处理

2.2竖直条件实验结果

2.3摇摆条件下压降组成

2.4瞬时流量和摩擦压降

2.5摇摆条件下平均摩擦阻力

2.6摇摆对瞬时摩擦阻力的影响

2.7单相关系式建立

2.8本章小结

第3章 摇摆条件下单相流量波动分析

3.1单相流可视化研究

3.2流量波动分析模型

3.3开放回路流量波动分析

3.4闭合回路流量波动分析

3.5闭合回路流量波动实验

3.6本章小结

第4章 摇摆对单相流摩擦阻力的影响机理

4.1压降瞬变项及简化

4.2速度分布及组成

4.3摇摆对壁面切应力的影响

4.4摇摆对摩擦阻力的影响

4.5摇摆对流态转捩的影响

4.6本章小结

第5章 摇摆条件下两相流摩擦阻力实验

5.1实验装置与数据处理

5.2竖直实验

5.3摇摆条件下压降组成

5.4摇摆条件下两相流参数

5.5摇摆对平均阻力的影响

5.6摇摆对瞬时摩擦阻力的影响

5.7摇摆条件下摩擦阻力关系式

5.8本章小结

第6章 摇摆对两相流摩擦阻力的影响机理

6.1单相-两相摩擦阻力比较

6.2摇摆对两相流型的影响

6.3摇摆条件下气泡体积力分析

6.4倾斜条件下两相流动特性

6.5摇摆条件下两相流动特性

6.6本章小结

结论及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢