螺旋管内汽液两相流流动机理及计算模型研究项目摘要

飘移流模型是汽液两相流的系统尺度计算模型，稳定性好且精度高，被广泛应用于直管内和棒束间的两相流计算。然而用于螺旋管的漂移流模型仍为空白。本课题目标是采用多尺度实验及数值模拟的方法构建此模型。研究思路为：通过空气/水实验和CFD 模拟研究流动机理并初步构建模型；通过高温气冷堆蒸汽发生器（SG）蒸汽/水实验修正模型。将完成：1.建造气/水实验装置，结合CFD 数值模拟，分析螺旋管条件下两相流动机理、流型特点及其转换规律，建立清晰的物理图象；2.分析螺旋管条件下各相所受作用力，建立漂移流模型中分布参数和漂移速度的初步表达式；3.编制SG 动态分析程序，对SG 实验结果进行预测；4.将程序预测结果与SG 实验数据对比，修正模型参数并提出最终表达式；5.将分析程序用于SG 动态特性分析。本课题是从工程技术中抽象出来的基础理论研究，是对两相流研究的补充与发展，其结果具有重要的学术价值和应用价值。

蒸汽发生器和锅炉是工业领域非常重要的设备，被广泛应用于化工、能源、制冷和食品加工等多个领域。其中，很多蒸汽发生器和锅炉采用螺旋管作为传热的基本单元。这种传热元件具有四个优势：1.结构紧凑；2. 吸收热应力能力强；3. 传热系数高；4. 易于消除两相流流动不稳定。然而，由于离心力的影响，螺旋管内的流动换热过程比较复杂（尤其是两相流）。目前研究仍主要集中于流动阻力和传热系数等宏观规律，而对于局部相界面分布特性、输运特性和计算模型的研究还不够充分。本课题采用多尺度实验结合数值模拟的研究方案，对螺旋管内气液两相流的基础问题展开了研究。首先建立了基于电导探针和高速摄影的两相流机理实验平台。然后基于此平台开展了流型的研究，在较大范围内观测了螺旋管内不同流型的相界面分布特征，首次提出螺旋管内存在6种流型（泡状流、塞状流、弹状流、波状流、环状流和弹-环流），并给出客观、非视觉的流型判别依据，在此基础上给出了完整的流型图；分析了各种流型的转换机理，揭示了泡状流向弹状流或塞状流转换的两种不同机理，给出了涵盖螺旋管和倾斜直管的流型边界预测公式。进一步，对各种流型的相界面特征展开了详细研究，通过数值计算和机理实验，获得含气率、相界面浓度等重要两相流参数。开发了高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工计算程序，为蒸汽发生器设计和安全分析提供了计算手段。利用此程序，对高温气冷堆紧急停堆后堆芯冷却过程中关键设备的传热传质过程进行了动态数值模拟，提出了适用于我国高温气冷堆的冷却方案，并应用于世界上第一个商用高温气冷堆示范堆。本课题完成了课题任务书中的各项内容，在两相流基础研究和工程应用上都取得一定成果。 2100433B

研究传热流体在具有三维翅片结构的花瓣形翅片管外的螺旋流动传热，通过对流场的流态显示、速度场和温度场的测量，并结合所获得的传热与压降性能数据，分析传热强化机理、优化翅片和螺旋角参数；建立传热流体在花瓣形翅片管外螺旋流动传热的三维理论模型，提出求解模型的数值方法，探明场协同的机制。研究工作将有助于丰富和发展我国第三代传热技术及相关理论，并开发出具有自主知识产权的高效换热器，促进我国节能和环保工作的发展。

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热设备的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将纳米流体与不同强化结构的换热面相结合应用于光热转换、换热器、电子元件冷却等领域的换热设备中，对纳米流体与强化传热面的耦合传热特性及强化机理进行研究。针对光热转换的腔体，本项目建立了纳米流体流动与传热的两相格子Boltzmann模型，研究了纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布规律，揭示了纳米颗粒粒径对流动与传热的影响规律，结果发现布朗力的数量级远远大于颗粒间其它的作用力，在强化换热方面起着决定性的作用，纳米颗粒主要分布在腔体的上部或者中部，粒径越小越有利于强化传热，这对光热转换腔体内传热介质及工况的选择、传热机理的解释及强化传热的方向提供了一定的指导意义。针对换热器，本项目配制了不同种类的纳米流体，提出了一种基于紫外分光光度计的稳定性检测方法-透过比法，该方法是一种定量检测方法，与定性的沉淀法相比，具有更加准确的优势。本项目将配制的纳米流体与各种强化结构的换热管相结合，研究了不同结构的强化换热面、纳米颗粒组分对流动与传热的影响，发现强化结构与纳米流体的结合大大提升了换热效果，同时也大大增加了其流动阻力。为了能够客观、综合地评价这些强化技术，引入了火用效率，但是传统的火用效率需要针对每一个物理问题进行模型建立及公式推导，过程繁琐。本项目提出并建立了一种统一的火用效率评价准则图，与传统的火用效率评价相比，本项目的火用效率评价准则图适用范围更广，只要涉及到强化手段，该评价准则均可适用，并且不再需要单独推导和建模，这对于以后新的强化技术在能的品质上的综合评价有一定的指导意义。针对电子元件冷却，本项目研究了不同的强化换热面与纳米流体的结合，结果发现最大纳米颗粒组分的冷却效果不是最好，而是存在一个临界组分，这对于电子元器件冷却表面结构的设计、传热介质及工况的选择提供了一定的指导意义。