大尺度受限空间核态池沸腾换热机理分析与实验研究

摘要

尽管沸腾现象普遍存在，但因涉及复杂的相变过程、汽泡运动、对流流动等方面，故其相关机理尚不完全清楚。核态沸腾的传热机理和高效换热能力的成因成为长期以来的研究热点。目前经验或半经验关联式通常用于沸腾换热的计算，但由于沸腾的复杂性，现有的经验关联式和研究成果有其应用局限性，而且实验手段和工况的差异，使有关沸腾换热的关联式往往存在较大偏差。
　　大尺度垂直换热管外沸腾换热广泛应用于新一代核电系统中，如反应堆、非能动安全系统和乏燃料的贮存冷却等，其不同于常规的池沸腾，更不同于管内流动沸腾。且现有的研究主要着眼于壁面过热度、汽化核心数、汽泡的形成和蒸发的微观机制。因此，开展大尺度垂直管外沸腾换热的研究，突出汽泡的动力过程以及介观和宏观传热机理研究相结合，对揭示沸腾换热的运动规律有科学意义，对核电工程系统等工业相变换热设备的设计也有着重要的指导意义。本文以大尺度垂直管外池沸腾为研究对象，运用数值模拟和实验研究相结合的方法，分析了受限空间内垂直换热管外池沸腾的汽泡行为和动态特性、局部流动换热机制以及整体流动换热规律。主要的研究工作及取得的研究成果如下:
　　运用VOF多相流模型和Lee传质模型，对受限空间内垂直管外池沸腾进行CFD模拟。建立受限空间内大尺度垂直换热管外沸腾换热的数值模型，分析了影响沸腾换热特性的关键因素汽泡行为，以及其影响下的局部换热特性。结合可视化实验中观测到的汽泡形态和行为，分析了汽泡的成长合并机制和大汽泡的破裂及尾流特性。分析蒸汽泡的形态、分布和相互间的作用，可发现受限空间内垂直换热管高度方向上汽泡行为存在四个区域:孤立汽泡区（汽泡尺度均匀），汽泡聚合成长区（汽泡尺度出现差异化），汽泡聚合和裂变区，汽泡行为混沌区（汽泡行为和形态多样化且复杂化）。同时也确立了数值模拟方法的可靠性和准确性。
　　构建垂直换热管外池沸腾实验平台，进行大气压力条件下受限空间和开放空间沸腾换热的实验研究。研究发现从自然对流到过冷沸腾，至最后达到饱和沸腾，换热管外壁面温度和换热系数在换热机制转变中存在相应的转折点。不同高度上，自然对流和过冷沸腾的发展时间有所不同，换热管下部自然对流持续时间最长，且下部过冷沸腾阶段换热系数存在一个陡升，最终换热管上下水域几乎同时达到饱和沸腾。与开放空间垂直换热管外池沸腾相比，受限空间内的池沸腾换热能够缩短水箱下部达到饱和温度的时间，有效减弱池内的热分层。
　　基于新一代核电系统的非能动余热排出换热器(PRHR HX)，建立原尺度的垂直换热管束通道内沸腾换热的数值模型，并由经验关联式和西屋公司开展的实验数据验证了其准确性。数值结果表明:PRHR HX不同高度上的核态沸腾的物理场存在更为明显的差异，这也表明对于大尺度垂直管外沸腾换热应用传统的整体长度核算设计将会形成偏差。另外，分析了管间距(2D×4D)效应，小间距(2D)对应壁面换热性能的波动性大，但能够形成相对较高的对流速度，大间距与小间距的有效结合(2D×4D)是一种很有效的强化换热方式。通过对比4m和5.486m管长，相同位高壁面换热系数差异不明显，短管略低于长管;而对于整个换热壁面换热系数，短管却优于长管。该研究对指导非能动冷却系统的设计，以及其它应用池沸腾的核电工程设计具有重要的借鉴意义。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 大尺度核态池沸腾换热的实验研究现状

1．2．1 方位效应

1．2．2 汽泡行为

1．2．3 池沸腾空间效应

1．2．4 垂直换热管长度效应的研究

1．3 核态池沸腾换热的数值研究现状

1．3．1 单汽泡的数值模拟

1．3．2 多汽泡的数值模拟

1．3．3 大尺度池沸腾的数值模拟

1．4 现有研究的不足之处

1．5 本文的主要研究内容

第2章 池沸腾换热机理分析及数值模拟研究方法

2．1 引言

2．2 池沸腾换热机制

2．3 数值模拟研究方法

2．3．1 多相流模型

2．3．2 Volume of Fluid模型

2．3．3 传质模型

2．4 本章小结

第3章 大尺度受限空间内核态池沸腾换热机制的数值研究

3．1 引言

3．2 物理模型

3．3 数值方法

3．3．1 多相流模型及相变模型

3．3．2 自然对流模型

3．3．3 湍流模型

3．4 求解方案

3．5 计算验证

3．5．1 网格划分与独立性验证

3．5．2 数值方法验证

3．6 数值结果讨论与分析

3．6．1 流型的演变

3．6．2 汽泡的行为

3．6．3 局部换热特性

3．7 受限空间VS．开放空间下的循环对流分析

3．8 本章小结

第4章 大尺度垂直换热管外核态池沸腾实验研究及分析

4．1 引言

4．2 实验系统

4．2．1 加热系统

4．2．2 实验测试主体

4．2．3 数据采集

4．3 实验流程

4．4 实验误差分析

4．5 受限空间垂直管外池沸腾换热特性分析

4．5．1 过冷沸腾阶段动态换热特性分析

4．5．2 饱和沸腾阶段换热特性分析

4．6 受限空间与开放空间池沸腾换热特性对比分析

4．7 本章小结

第5章 PRHR-HX垂直管束通道内沸腾换热的数值研究

5．1 引言

5．2 物理模型

5．3 数值求解方法

5．4 数值计算验证

5．4．1 网格独立性验证

5．4．2 数值结果与传统关联式的对比分析

5．5 数值结果讨论与分析

5．5．1 物理场分析

5．5．2 时均换热特性分析

5．5．3 管间距效应

5．5．4 管长效应

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况

致谢