蒸汽与过冷水接触时会发生直接接触凝结,直接接触凝结现象广泛存在于核电、化工、石油等领域。凝结过程往往伴随着复杂的流体流动混合、热量传递以及质量传递,引起流体内部的压力振荡以及温度波动,高频的压力振荡以及温度波动有可能造成相关设备的机械疲劳以及热疲劳,降低设备的运行效率,严重时会发生安全事故,造成经济损失。因此,研究直接接触凝结过程中的流体流动与传热传质机理具有重要的现实意义。本文是以核电站蒸汽发生器下降通道内湿蒸汽与过冷水直接接触凝结为研究背景,从工程实际出发,探究过冷水温度,湿蒸汽流速,蒸汽质量含汽率以及过冷水流速对圆管内直接接触凝结过程中的压力振荡、温度波动以及界面变化特征的影响,进一步揭示湿蒸汽与过冷水直接接触凝结的机理。本文采用数值模拟的方法,选用大涡模拟模型(Large Eddy Simulation-LES)、流体体积模型(Volume of Fluid Model-VOF)以及双阻力凝结模型,对圆管内饱和湿蒸汽与过冷水直接接触凝结过程进行模拟分析。主要研究内容如下。(1)圆管内湿蒸汽直接接触凝结流动与传热机理研究。用数值模拟的方法再现圆管内湿蒸汽与过冷水直接接触凝结过程,探究凝结过程中蒸汽汽羽分布、流场流动、压力振荡、温度波动以及凝结速率的变化特征。研究结果表明:过冷水与湿蒸汽接触界面附近流场流动最为复杂,凝结现象比较剧烈。在汽液界面附近有明显的低压区与高压区存在,产生这种现象的主要原因是湿蒸汽中没有被凝结掉的蒸汽聚集成汽泡,在周围流体湍流流动以及凝结作用的影响下,汽泡破裂产生低压区,周围的流体迅速冲入原来汽泡所在区域,导致压力迅速升高,从而使得流体局部区域出现高压区和低压区。(2)入口参数对压力振荡和温度波动的影响分析。通过对不同参数影响下检测面以及检测点处的压力振荡和温度波动信号进行分析处理,研究过冷水温度、湿蒸汽流速、蒸汽质量含汽率以及过冷水流速对凝结引起的压力振荡和温度波动的影响。着重分析了不同参数影响下压力以及温度波动时域曲线,压力振荡的平均值、峰值、谷值、频率分布以及不同检测点处的均方根值,得到不同工况下压力和温度信号的变化规律,进一步揭示凝结引起的压力振荡机理。研究结果表明,过冷水流速对压力振荡和温度波动的影响尤为显著,随着过冷水流速的增加,压力和温度波动更加剧烈,波动的频率和幅值均增加,主要原因是过冷水流速增加,周围流体的湍动能增加,加之流体域内旋涡的存在,冷热流体的混合速度增加,加快了凝结的发生,导致压力和温度波动加剧。(3)入口参数对凝结界面特性的影响分析。通过对不同入口参数影响下汽羽变化特性以及凝结分布特征的分析,得到了汽羽的出初次出现的时间、汽羽的无量纲长度、汽羽体积以及凝结速率的变化特征。研究结果表明:过冷水温度对汽羽初次出现时间影响显著,随着过冷水温度升高汽羽初次出现时间逐渐降低,主要原因是过冷水温度升高,凝结驱动势降低,凝结能力下降,流体域内没有被凝结掉的蒸汽含量增加,导致汽羽初次出现的时间降低;湿蒸汽流速对汽羽的下携带长度影响显著,当湿蒸汽流速为0.5m/s时,整个流体域内都有汽羽出现,汽羽的无量纲长度达到最大值;蒸汽的质量含汽率对汽羽最终时刻的体积影响比较明显,含汽率增加,蒸汽体积增加,但是汽羽的无量纲长度没有明显的变化;同时,从凝结速率的分布特征可以看出,凝结主要发生湿蒸汽与过冷水接触界面,并且在过冷水入口区域凝结速率最大。通过对圆管内湿蒸汽和过冷水直接接触凝结的数值模拟研究,对凝结过程中汽羽分布,压力振荡、温度波动以及凝结速率分布特征进行分析,探究不同入口参数对上述特征的影响情况,进一步揭示了湿蒸汽凝结过程中流体流动、凝结相变以及热量传递的机理,为工程实际提供理论指导。