矩形通道过冷沸腾可视化实验研究.pdf
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1、Nuclear Science and Technology 核科学与技术核科学与技术,2023,11(3),231-238 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/nst https:/doi.org/10.12677/nst.2023.113025 文章引用文章引用:黄家坚,钟明君,袁园,周源,王丽.矩形通道过冷沸腾可视化实验研究J.核科学与技术,2023,11(3):231-238.DOI:10.12677/nst.2023.113025 矩形通道过冷沸腾可视化实验研究矩形通道过冷沸腾可视化实验研
2、究 黄家坚黄家坚1,钟明君,钟明君2,袁,袁 园园1*,周,周 源源1*,王,王 丽丽3 1四川大学物理学院,四川 成都 2中国核动力研究设计院,四川 成都 3中山大学中法核科学与技术学院,广东 珠海 收稿日期:2023年5月31日;录用日期:2023年7月14日;发布日期:2023年7月21日 摘摘 要要 板状燃料组件冷却剂通道狭窄,与常规圆管通道内的气泡生长不同,其受限流道将引发气泡形变、局部板状燃料组件冷却剂通道狭窄,与常规圆管通道内的气泡生长不同,其受限流道将引发气泡形变、局部湍流变化等问题,对气泡的聚合、破碎、形变等造成严重影响。为了解湍流变化等问题,对气泡的聚合、破碎、形变等造成严
3、重影响。为了解矩形窄缝通道内的气泡生长行为矩形窄缝通道内的气泡生长行为和两相流型变化,文章以去离子水为工质,对一面加热三面可视的长宽为和两相流型变化,文章以去离子水为工质,对一面加热三面可视的长宽为0.5 mm 2.0 mm的矩形窄缝的矩形窄缝通道内气泡生长过程进行可视化实验研究,给出了在系统压力通道内气泡生长过程进行可视化实验研究,给出了在系统压力0.51.0 MPa,入口流量,入口流量50200 kg/(m2s),过冷度低于过冷度低于40 K,沸腾段壁面热流密度,沸腾段壁面热流密度100500 kW/m2条件下的局部空泡份额变化特性,得到了过冷条件下的局部空泡份额变化特性,得到了过冷沸腾工
4、况下的气泡生长行为和泡状流到弹状流动区域的流型转变特性,并给出了经可视化图像后处理程沸腾工况下的气泡生长行为和泡状流到弹状流动区域的流型转变特性,并给出了经可视化图像后处理程序测得的时均空泡份额。序测得的时均空泡份额。关键词关键词 矩形通道矩形通道,过冷沸腾过冷沸腾,泡状流泡状流,弹状流弹状流,可视化方法可视化方法 Visualization Experiment of Subcooled Boiling in Rectangular Channel Jiajian Huang1,Mingjun Zhong2,Yuan Yuan1*,Yuan Zhou1*,Li Wang3 1College
5、of Physics,Sichuan University,Chengdu Sichuan 2Nuclear Power Institute of China,Chengdu Sichuan 3Sino-French Institute of Nuclear Engineering and Technology,Sun Yat-sen University,Zhuhai Guangdong Received:May 31st,2023;accepted:Jul.14th,2023;published:Jul.21st,2023 *通讯作者。黄家坚 等 DOI:10.12677/nst.2023
6、.113025 232 核科学与技术 Abstract The plate fuel assembly coolant channel is narrow,which is different from the bubble growth in the conventional round tube channel.The restricted flow channel will cause bubble deformation and local turbulence change,which will seriously affect the polymerization,breakage
7、 and deforma-tion of bubbles.In order to understand the bubble growth behavior and the change of two-phase flow pattern in a rectangular narrow channel,this paper uses deionized water as the working fluid to conduct a visualization experiment on the bubble growth process in a rectangular narrow chan
8、nel with a length and width of 0.5 mm 2.0 mm,which is heated on one side and visible on three sides.The system pressure range of 0.51.0 MPa is given.When the inlet flow rate ranges from 50200 kg/(m2s),the subcooling degree is less than 40 K,and the wall heat flux in the boiling section ranges from 1
9、00500 kW/m2,the variation characteristics of local voidfractionare obtained.The bubble growth behavior and the flow pattern transformation characteristics of bubble flow to the elastic flow area under the subcooled boiling condition are obtained.The time average void frac-tion measured by visual ima
10、ge post processing code is also given.Keywords Rectangular Channel,Subcooled Boiling,Bubbly Flow,Slug Flow,Visualization Method Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/l
11、icenses/by/4.0/1.引言引言 核反应堆中板状燃料元件由于具有换热面积大、结构紧凑等优势而被广泛关注,研究人员针对矩形通道中气液两相流的两相流型、压降及空泡份额分布开展了相关实验和数值研究,其中实验大多集中于非绝热工况1。由于矩形通道窄缝结构,气泡间的相互碰撞空间受到限制,碰撞和聚合以沿板方向的横向作用为主2。采用高速摄影机能直观地观察到流动沸腾时气泡的产生、生长、脱离、混合以及两相流流型的变化,结合流动沸腾的传热特性,能更好地理解其传热机理。张永豪等3对矩形通道的速度边界层进行了空气水可视化实验研究,分析了矩形通道边界层内速度分布和雷诺切应力等流场特性,探究了通道间隙对边界层的影
12、响规律。Liu 等4根据水平方向窄缝矩形通道空气水可视化实验分析了一维气泡流动的特性界面输运特性,评估了输运方程的适用性。Lu 等5根据可视化的矩形通道气泡分布特性分析了气泡流动与核速率和聚结速率的影响特性。居一伟等6基于蒸汽加热垂直矩形窄通道实验分析了其传热特性,并以 Kandlikar 公式为基础改进拟合了新的经验关系式。国内外已有许多两相流可视化实验研究,受限于高压可视化实验本体的设计,工况大都在常压或者低压范围。为了解矩形窄缝通道加热工况下的过冷沸腾气泡分布特性,本文建立了蒸汽加热垂直矩形窄通道沸腾传热特性实验台,分析入口温度、压力、流量和壁面热流密度下的气泡形态。2.实验装置实验装置
13、 实验回路(图 1)包含一回路和二回路两个回路系统、仪表系统、电气系统。一回路主要由主泵、稳压Open AccessOpen Access黄家坚 等 DOI:10.12677/nst.2023.113025 233 核科学与技术 器、预热段、实验段、过滤器、换热器等设备及相应管道、阀门构成。回路设计压力 2.5 MPa,主泵流量3.5 t/h。补水箱中的去离子水由柱塞泵驱动,经预热器预热到设定温度后,自下而上进入实验本体,再经换热器冷却后回到补水箱,形成循环。二回路由冷却水箱、冷却水泵、换热器及相连管道、阀门组成。换热器为套管式逆流换热器,实验运行时使用氮气稳压器调节实验回路压力,实验本体通过
14、低电压大电流直流发电机直接进行加热。2.1.矩形通道可视化试验段矩形通道可视化试验段 矩形通道试验段用于开展 01 MPa 压力条件下水工质的流动沸腾核化现象、沸腾工况下相界面形态及行为观测、空泡份额测算等可视化实验。实验段采用一面加热三面可视窗设计,包含 2 个方向的观测可视窗,以实现高速相机从流道正面和侧面进行拍摄,正面窗口用于观测壁面核化行为,侧面为左右通透的透视可视窗,除可观测近壁核化行为外,还可对沸腾过程中相界面沿径向、轴向演化过程进行观测研究。可视化实验本体总体设计图如图 2(a)所示,测点布置图如图 2(b)所示,试验段的几何参数见表 1。距加热起点 240 mm 的可视窗的总高
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