汽泡迁移对大长径比管束表面沸腾换热影响的实验研究

摘要

核态沸腾有温差小、传热强的特点，广泛应用在能源、动力、化工等领域。核电站一回路稳压器是维持回路压力的关键设备，其内部的电加热元件采用竖直倒插放置，需要长期在高压工况下运行，沿管程高度方向的沸腾流型有较大变化。掌握大长径比竖直加热管核态沸腾现象的规律并对换热特性做出预测，不仅能为核电站一回路稳压器电加热元件的设计与操作提供理论参考，避免各类安全事故发生，还可进一步阐释汽泡行为和沸腾流型对传热性能的影响机理。
　　本文针对AP1000核电站一回路稳压器电加热元件开展了可视化实验研究，对大长径比竖直加热管沿管程高度的换热特性、沸腾流型及壁面核化规律进行了定量研究与分析。全部研究内容主要分为三部分。第一部分:建立了沸腾换热特性可视化实验系统，以单根电加热元件和不同方式布置下电加热元件管束为研究对象，通过实验研究分析了热流密度及管心距对沸腾换热特性的影响;第二部分:通过高速摄影研究了不同工况及布置方式下近壁面的汽泡的滑移、涨缩和聚并等行为及沸腾流型发展规律;第三部分:通过量化统计汽泡核心密度、汽泡脱离直径与汽泡脱离频率等核化特性参数，研究了不同工况下加热壁面的壁面核化规律。
　　由可视化实验及高速摄影图像分析所得结果表明，同等工况下，大长径比管外核态沸腾流型沿管程高度方向有较大区别，换热性能与沸腾流型存在一定对应关系，沸腾流型为孤立汽泡时，基本可看作纯液相对流换热，换热系数较低，沸腾流型为汽块汽柱时，呈现出剧烈的两相流现象，换热系数较高，弥散流形态下，换热系数处于二者之间。根据实验数据拟合得到局部沸腾换热系数的经验关联式，并与前人文献结果进行比较，在热流密度较小时吻合情况较好。基于大量高速摄影所得视频资料针对汽化核心密度、汽泡脱离直径及汽泡脱离频率进行量化统计，结果表明:影响汽化核心的主要因素是壁面过热度;热流密度一定时，不同管程高度处对应的汽泡脱离直径变化不大，同一管程高度处，汽泡脱离直径受热流密度影响较为明显;汽泡脱离频率随热流密度提升而显著提高，当频率足够高时，汽泡垂直聚并高发，沸腾流型转为汽块汽柱，换热性能达到最大。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号对照表

1．1 课题背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 核态沸腾研究现状

1．2．2 核态沸腾换热机理

1．2．3 壁面核化特性参数

1．3 存在的问题与研究思路

1．4 本文主要研究内容

2．1 实验系统

2．2 实验元件

2．3 实验数据测量

2．3．1 温度测量

2．3．2 电压测量

2．3．3 高速摄影

2．4 数据处理

2．5 工况范围与误差分析

3 电加热元件沸腾换热特性分析

3．1 竖直单管沸腾换热特性

3．2 竖直管束沸腾换热特性

3．2．1 管心距115mm下沸腾换热特性

3．2．2 管心距137mm下沸腾换热特性

3．2．3 管心距159mm下沸腾换热特性

3．3 竖直单管与倾斜单管组合沸腾换热特性

3．4 本章小结

4 近壁面汽泡行为及沸腾流型分析

4．1 近壁面汽泡行为分析

4．1．1 汽泡涨缩

4．1．2 汽泡滑移

4．1．3 汽泡聚并

4．2 竖直管加热沸腾流型分析

4．3 倾斜管加热沸腾流型分析

4．4 本章小结

5 壁面核化特性参数分析

5．1 汽化核心密度

5．1．1 汽化核心数统计方法

5．1．2 汽化核心均匀性检验

5．1．3 汽化核心密度变化规律

5．2 汽泡脱离直径

5．2．1 汽泡脱离直径统计方法

5．2．2 汽泡脱离直径变化规律

5．2．3 生长过程中汽泡直径的变化情况

5．3 汽泡脱离频率

5．3．1 汽泡脱离频率统计方法

5．3．2 汽泡脱离频率变化规律

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点与展望

参考文献

作者简历

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