直流式蒸汽发生器全流型流动沸腾及耦合换热数值研究

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直流式蒸汽发生器作为一体化反应堆及快堆的重要设备,其热工水力特性分析是历来研究热点,国际国内采用多种数值计算方法对其一次侧及二次侧流体进行数值模拟,但对二次侧全流型变化的模拟还不准确,因此研究一种适用于全流型工况的数值计算方案,对于研究直流式蒸汽发生器耦合换热特性具有重要的意义。
  本文采用数值方法,利用商业软件Fluent,针对三种计算模型,利用Becker经典圆管蒸干实验,验证分析其对全流型工况计算的可行性和适用性,并对全流型流动沸腾区域影响较大的曳力模型和汽泡等待时间系数参数进行敏感性分析,同时分析不同边界条件对全流型热工水力参数影响。基于本文中最优数值求解方案,以威尔柯克斯生产的直流式压水堆蒸汽发生器为原型建立典型直流式蒸汽发生器周期性几何模型,模拟研究一次侧通过管壁耦合二次侧换热过程,揭示二次侧全流型转变过程中的热工水力参数变化,并分析管壁的固体温度及壁面热流密度的变化规律,给出了二次侧流型转变的机理分析。
  计算结果表明:壁面热流量分区模型不适用于全流型计算,改进型壁面热流量分区模型虽然适用于全流型计算,但壁面温度的相对误差较大。采用壁面液膜模型耦合改进型壁面热流量分区模型的方法,壁面温度的相对误差最高下降了大约38%;当过冷度为5K时,两相流动过程中汽泡直径增长到汽泡脱离壁面直径,随着流体继续流动,汽泡直径随着过冷度减小而增大;针对Becker单管实验工况,其数值结果表明,在1m的轴向高度处,汽芯区域液滴被壁面所收集,形成壁面液膜,随着轴向高度的上升,液膜蒸发速率增加,使得壁面液膜厚度不断下降,直至为0;多相流子模型敏感性分析发现Ishii曳力模型更符合实际沸腾工况,另外基于不同的汽泡等待时间系数,得出系数越高,饱和沸腾段的壁面温度越低,当系数为10时更符合饱和沸腾段壁面温度的实际工况;入口过冷度与入口质量流速越小,过冷沸腾及饱和沸腾段对区域流动传热影响越小,质量含气率及混合流体流速越大。壁面热流密度越小,过冷沸腾及饱和沸腾段对管内区域流动传热影响增大,质量含气率及混合流体流速越小;针对管外直流耦合换热工况,边缘管壁固体温度及热流密度高于中心管壁固体温度及热流密度;耦合换热工况下,在2m的轴向高度处发生临界热流密度现象,气相体积分数为0.9,在4m的高度处,壁面液膜被完全蒸干,此时的气相体积分数为0.95,热流密度值小于临界热流密度值2-3个量级。
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