有-無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、蒸汽直接接觸凝結(jié)即蒸汽與過冷水直接接觸并發(fā)生凝結(jié)，在核電、石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中是一種常見的強(qiáng)烈傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，其熱質(zhì)傳遞機(jī)制十分復(fù)雜，并可能伴隨著劇烈的壓力及溫度振蕩，這些振蕩會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)及熱疲勞損傷等不良影響。因此研究其熱質(zhì)傳遞機(jī)制并提出削弱其壓力及溫度振蕩的方法，對(duì)保證結(jié)構(gòu)完整性及維持設(shè)備安全運(yùn)行具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。
　　本文開展了有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，通過

2、在T型管道凝結(jié)區(qū)填充多孔介質(zhì)，利用多孔介質(zhì)的阻力特性及湍流增強(qiáng)特性達(dá)到削弱T型管內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)壓力及溫度振蕩的目的，主要研究工作如下:
　　(1)有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)可視化實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中利用高速攝影儀采集得到了蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)瞬態(tài)汽羽特征，獲得了有/無多孔介質(zhì)兩種工況下的典型汽羽。有多孔介質(zhì)工況下的典型汽羽包括:振蕩射流凝結(jié)、彈狀穩(wěn)定射流凝結(jié)、霧狀穩(wěn)定射流凝結(jié);無多孔工況下的典型汽羽包括:間歇凝結(jié)、振蕩

3、射流凝結(jié)、穩(wěn)定射流凝結(jié)、尾部振蕩射流凝結(jié)、發(fā)散射流凝結(jié)。通過構(gòu)建凝結(jié)流型對(duì)比圖，分析填充多孔介質(zhì)對(duì)凝結(jié)流型的影響，結(jié)果表明:凝結(jié)區(qū)填充多孔介質(zhì)可以使蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)流型趨于穩(wěn)定，有效削弱汽羽的振蕩現(xiàn)象。
　　(2)有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)溫度和壓力振蕩實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中利用壓力傳感器和溫度傳感器分別采集得到不同飽和蒸汽流量、不同過冷水流量、不同過冷水溫度條件下有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)壓力及溫度振蕩信號(hào)，對(duì)

4、比分析了填充多孔介質(zhì)后對(duì)壓力振蕩均方根值、壓力振蕩峰谷值、壓力振蕩主頻以及溫度振蕩的削弱作用，并討論了不同孔隙率對(duì)這些參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:T型管內(nèi)填充多孔介質(zhì)后，可以有效削弱蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)壓力及溫度振蕩，且隨著孔隙率的減小，即粘性阻力和慣性阻力的增大，削弱作用呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。
　　(3)有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)數(shù)學(xué)建模及數(shù)值模擬。構(gòu)建含單排規(guī)則排列球形多孔介質(zhì)的T型管道結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，基于FLUENT

5、16.1平臺(tái)并導(dǎo)入自定義雙阻力冷凝程序，選取LES湍流模型和VOF兩相流模型，對(duì)有/無多孔介質(zhì)T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。通過將數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)中獲得的流型進(jìn)行定性比對(duì)，驗(yàn)證了模型的可行性，進(jìn)一步分析了數(shù)值模擬溫度云圖、凝結(jié)速率云圖、流線圖及速度矢量圖，揭示多孔介質(zhì)削弱T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)壓力及溫度振蕩的機(jī)理。對(duì)比有/無多孔介質(zhì)條件下凝結(jié)速率云圖，說明填充多孔介質(zhì)后可以有效增大凝結(jié)速率，因此通過增大對(duì)流體的阻力及凝結(jié)速率使得