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汽液两相流动与传热问题广泛存在于动力工业、核能工业、化学工业、石油工业以及各种加工工业的换热设备之中。其中反应堆堆芯的热工水力分析,蒸汽发生器内的流动与传热,汽轮机与凝汽器内的流动与传热都是典型的汽液两相流问题。
管束间狭窄通道内流动和传热特性的研究在提高蒸汽发生器和反应堆燃料棒束的安全性和经济性等方面都有着重要的现实意义,有助于提升我国核电技术的国产化水平,保证核电技术的安全有效利用。本课题研究的目的就是试图通过理论和实验研究,对管束间狭窄通道这一特殊流道结构内的流动及传热特性进行深入探讨,从而为实际工程应用提供参考依据。
在参考大量国内外文献的基础上,作者与课题组成员共同搭建了垂直管束间狭窄通道流动换热实验台。分别对当量直径为10.39mm和14.46mm的两个实验通道进行了实验研究,对于管束间狭窄通道内单相流动阻力特性和沸腾两相流动阻力特性进行了实验研究及理论分析,研究工作主要内容及结果为:
(1) 通过实验数据分析、处理,探讨管束间狭窄通道内单相流动阻力特性与普通圆管或环形通道内的流动阻力特性存在的差别。结果表明,这些差别与通道特殊的几何结构以及壁面热流密度造成的工质粘度和密度的变化有关。对全部单相流动阻力实验数据点进行拟合,得出了可用于计算垂直管束间狭窄通道内单相流动摩擦阻力系数的经验关系式。
(2) 管束间狭窄通道内流动阻力特性和对流换热特性之间存在着密切的关系。根据契尔顿(T.H.Chilton)及柯尔本(A.P.Colburn)提出的修正雷诺比拟,通过已经得到的紊流区摩擦阻力系数,对该通道内强制对流换热紊流区的换热特性进行了预测。
(3) 在常压下进行了管束间狭窄通道内垂直上升流动沸腾实验,并以实验数据为基础,对通道内的沸腾总压降和摩擦压降特性进行了深入分析。实验段的沸腾压降,随着热流密度和质量流速的增加而单调增加。热流密度对两相流压降的影响主要是通过干度的改变而实现的。
(4) 分析了不同因素对沸腾摩擦压降及两相摩擦乘子的影响。考虑管束间狭窄通道的几何因素和流动工质物性的影响,在Chisholm B关系式和Tran关系式的基础上,建立了可用于计算管束间狭窄通道内流动沸腾摩擦压降的经验关联式。