運動條件下的環(huán)狀流界面輸運機制及模型.pdf

1、海洋核反應堆在海洋中受到風、浪、涌等影響，將產生傾斜、起伏和搖擺等一系列典型海洋運動，對核反應堆冷卻劑的流動傳熱特性將有很大影響，而這種影響在堆內冷卻劑兩相流動中尤為顯著。環(huán)狀流作為氣液兩相流中的一種重要流型，是涉及與環(huán)狀流相關的反應堆安全分析的基礎。因此，準確掌握運動條件下堆內冷卻劑處于環(huán)狀流時的流動傳熱特性，對反應堆裝置在海洋條件下的安全有重要作用。漂移流模型與兩流體模型因其實用性與計算精度高，被廣泛應用于兩相流流動傳熱的計算。為了

2、將漂移流模型與兩流體模型用于獲取運動條件下核反應堆冷卻劑處于環(huán)狀流時的流動傳熱特性，需完善漂移流模型與兩流體模型在運動條件下相對應的界面輸運模型。
　　本文在空氣-水兩相實驗系統(tǒng)的高速攝像環(huán)狀流液膜測量的基礎上，通過可視化圖像處理，獲得了環(huán)狀流液膜特征，并討論了液膜厚度與液膜波動特性的影響因素與變化規(guī)律；通過考慮氣芯的夾帶機制，工質的物性和氣液流速，提出了液膜厚度的經(jīng)驗關系式，該關聯(lián)式的預測精度在20％以內；基于界面剪切擾動波的形

3、成機制，考慮氣液界面的不穩(wěn)定以及受力平衡等因素，提出了剪切擾動波波高與波速的機理模型，與實驗結果比較，預測誤差均在25%以內；考慮環(huán)狀流液膜波動特性、液滴夾帶與沉積，獲得了環(huán)狀流界面剪切力模型，模型的最大相對誤差在±25%以內，能較好的預測不同模型計算得到的界面剪切力。
　　根據(jù)漂移流速度的定義，結合一維動量方程，從理論上推導并獲得了環(huán)狀流的一維漂移流速度模型，模型與實驗數(shù)據(jù)之間的誤差在25%以內；考慮運動條件下對兩相流的影響機制

4、，獲得了運動條件下環(huán)狀流漂移流速度的修正模型，并且模型與數(shù)值模擬結果較為吻合。
　　基于文獻中的可視化實驗結果的再分析，獲得了氣泡聚合模型，包括氣泡碰撞聚合模型與氣泡尾渦夾帶聚合模型。結合小尺寸氣泡之間的相互作用機制（包括氣泡碰撞聚合、尾渦夾帶聚合與氣泡湍動渦旋破碎），從理論上推導并獲得了小氣泡界面濃度輸運源項，封閉了小氣泡界面濃度輸運方程；討論了流道截面形狀對小氣泡界面濃度輸運源項的影響，獲得了矩形流道小氣泡界面濃度輸運方程，并

5、通過MATLAB程序結合界面濃度實驗數(shù)據(jù)對所得到的小氣泡界面濃度輸運方程進行了驗證。
　　考慮隨機碰撞引起的氣泡聚合和湍動渦旋引起的氣泡破碎對于界面輸運源項的影響，并考慮運動造成的界面濃度源項在截面上的不均勻性，采用不均勻分布參數(shù)來考慮運動造成的界面濃度源項截面不均勻性，得到了運動條件下一維界面濃度輸運方程；通過在系統(tǒng)程序 RELAP5中嵌入一維界面濃度輸運方程，實現(xiàn)了界面濃度輸運方程耦合兩流體模型的求解，并通過實驗數(shù)據(jù)驗證了嵌入