自然循环过冷沸腾流动不稳定性起始条件的研究

CIESC Journal, 2018, 69(6): 2455-2462·2455·化工学报2018年第69卷第6期|DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20171302矩形通道内低压自然循环压降型脉动及其复合型脉动可视化研究张文超，焦琦，周云龙，杨美，金光远，杜利鹏（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省吉林市132012）摘要：以去离子水为工质，对矩形通道内低压自然循环压降型脉动及其复合型脉动进行可视化实验研究，利用可视化手段拍摄脉动过程气相分布状态图像。

通过流量脉动曲线与图像进行对照，分析流量脉动的物理过程及产生机理。

实验过程中发现4类动态不稳定性：第Ⅰ类密度波（DWOⅠ）、压降型脉动（PDO）、复合型脉动（SPO）及第Ⅱ类密度波（DWOⅡ）。

重点分析了压降型脉动与复合型脉动产生机理、影响因素及流动不稳定性边界。

实验研究发现，受矩形通道挤压效应及稳压器内部可压缩空间影响，工质在稳压器和循环回路之间往复波动，形成压降型脉动，增大加热功率压降型脉动会叠加第Ⅱ类密度波形成复合型脉动。

两类脉动的起始点会随入口过冷度增加呈现偏离趋势，并且压力增加，偏离趋势会随之增大。

通过相变数、过冷度数等无量纲参数绘制了压降型脉动不稳定性边界。

关键词：不稳定性；气液两相流；矩形通道；压降型脉动；可视化方法中图分类号：TL 334 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2018）06—2455—08 Visualization study on pressure drop and superimposed oscillations under low pressure natural circulation in rectangular channelZHANG Wenchao, JIAO Qi, ZHOU Yunlong, YANG Mei, JIN Guangyuan, DU Lipeng(School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin, China)Abstract:With deionized water as working fluid,visualization technique was used to study pressure drop and superimposed oscillations of low pressure natural circulation in rectangular channel. Gas-phase distribution images captured during oscillation processes were compared with flow pulsation curve to assess physical process and mechanism of flow oscillation. Four types of dynamic instabilities were found in the study, i.e., density wave oscillation by gravity (DWOⅠ), pressure drop oscillation (PDO), superimposed oscillation (SPO), and density wave oscillation by friction (DWOⅡ). Due to squeezing effect of rectangular channel and compressible space limitation within surge tank, working fluid flew cyclically between surge tank and circulation circuit and generated pressure drop oscillation (PDO). With increase of heating power, superimposed oscillation was formed by overlapping PDO and DWOⅡ. The onset points of both oscillations tended to diverge with increase of inlet overcooling degree, and such diverging tendency enlarged when system pressure was increased. DPO instability boundary curve was plotted against dimensionless parameters, such as overcooling degree and phase change.Key words: instability; gas-liquid flow; rectangular channel; pressure drop oscillation; visualization method引言两相自然循环技术具有节约能源、安全性高等特点，被广泛应用于能源、动力、化工等领域[1]。

1.比较成熟的动力堆主要有哪些，它们各有什么特点？1）压水堆加压轻水作的冷却剂，控制棒为棒束型结构，正常运行水处于欠热状态；核燃料为低富集度的二氧化铀陶瓷燃料，两回路布置，一回路压力15.5Mpa，二回路压力7.75Mpa；2）沸水堆加压轻水作冷却剂和慢化剂控制棒截面为十字形堆芯中的水处于饱和沸腾状态蒸汽直接推动气轮机做功；3）重水堆重水堆慢化剂和冷却剂天然铀作核燃料一个或两个环路组成2.反应堆热工分析主要包括哪些内容主要是分析燃料元件内的温度分布，冷却剂的流动和传热特性，预测在各种工况下反应堆的热力参数，以及在各种瞬态和事故工况，压力，温度，流量等参数随时间的变化过程3.试叙述堆的热源的由来及其分布堆的热源来自核裂变过程中释放出来的能量，每次裂变释放出来的总能量平均值为200Mev，其中裂变碎片占总能量的84％，在燃料元件内转换为热能；裂变中子的热量分布取决于它的平均自由程，主要在慢化剂中；伽马射线（瞬发缓发）的能量分别在堆芯，反射层，热屏蔽和生物屏蔽中装化为内能，极少部分穿出堆外；高能贝塔粒子能量大部分在燃料元件内转化为热能4.影响堆功率分布的因素有哪些1）燃料布置，均匀装载燃料堆芯功率分布非常不均匀，平均燃耗低，分区装载燃料可以使堆芯功率得到展平，提高了整个堆的热功率，同时也提高了平均热耗。

2）控制棒，均匀的布置在具有高中子通量的区域，既有利于提高控制棒的效率也有利于径向中子通量的瓶平，但对轴向功率有不利的影响：堆芯寿期初功率峰偏向上部。

3）水隙及空泡，水隙引起的附加慢化作用，使其周围元件的功率升高，从而增大了功率分布的不均匀程度，空泡对中子慢话减弱，会导致堆芯反应性下降5.控制棒的热源：1.吸收堆芯的γ辐射；2.控制棒本身吸收中子的（n. γ）和（n. α）反应。

6.慢化剂产生的热量：1.裂变中子的慢化；2.吸收裂变产物放出的β粒子的一部分能量；3.吸收各种γ射线的能量。

7.热量从堆芯输出依次经过导热、对流换热和输热三个过程。

开式自然循环系统启动特性研究侯晓凡;孙中宁;范广铭;丁铭;宿吉强【摘要】针对开式自然循环系统启动特性进行了实验研究。

实验表明：不同加热功率下，开式自然循环系统会经历不同的流动演化过程。

低加热功率下，系统经历单相循环、喷泉不稳定，最终演化为闪蒸不稳定；中等以及高加热功率下，系统依次经历单相循环、喷泉不稳定和沸腾伴随闪蒸不稳定后，分别演化为稳定的汽液流动和密度波振荡。

导致启动过程流动演化的主要原因是随着加热管入口水温的升高，管内沸腾现象持续增强，上升段内闪蒸现象则先增强而后减弱，两者相互作用，导致系统流量、相变位置及空泡份额等发生明显变化。

最后，绘制了开式自然循环启动过程的无量纲化流动不稳定区域分布图，并拟合得到了喷泉不稳定及闪蒸主导的不稳定起始边界的经验关系式，拟合结果与实验结果符合良好。

%An experimental investigation on startup characteristics of open natural circu‐lation system was performed .The results show that heating powers have significant influence on the flow characteristics evolvement during startup process .Namely ,the system undergoes single‐phase natural circulation , geysering oscillation and flashing oscillation under low powerconditions ;it undergoes single‐phase natural circulation , geysering oscillation and boiling accompanied with flashing oscillation ,and then devel‐ops into the steady circulation of two‐phase flow under the medium power conditions , the system under the high power conditions undergoes the same evolvement process as that under the medium power conditions at beginning ,and finally develops into density wave oscillation .The main reason leading to the evolution of flow characteristics during startupprocess is that the boiling in the heated tube continues to enhance ,and the flash‐ing phenomenon in the upflow‐leg enhances at first , and then weakens , with the increase of the entrance temperature of the heated tube .The two factors interact with each other ,w hich bring about the obvious changes of the system circulation flow rate , the phasetra nsition positions and the void fraction . Finally , a non‐dimensional flow instability map of the open natural circulation system during startup process was drawn . And empirical correlations of the instability boundaries for geysering oscillations and flashing dominated oscillations were established . The fitting results fairly well agree with experiment data .【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】6页(P1772-1777)【关键词】开式自然循环;启动特性;流动不稳定;不稳定区域分布【作者】侯晓凡;孙中宁;范广铭;丁铭;宿吉强【作者单位】哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TL353自然循环在化学工程、核动力等领域均得到广泛应用，而在两相自然循环建立过程中则不可避免地会产生流动不稳定[1-2]。

第44卷增刊 原 子 能 科 学 技 术 V ol. 44, Suppl. 2010年9月 Atomic Energy Science and Technology Sep. 2010收稿日期：2010-05-14；修回日期：2010-07-31HFETR 自然循环能力分析研究徐涛忠，段天元（中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）摘要：针对高通量工程试验堆（HFETR ）的运行特点，本文利用RELAP5/MOD3程序对HFETR 进行了数值建模，并结合反应堆实际运行工况，采取了阶跃升功率法和积分功率法分析了系统压力和压力壳平均水温对HFETR 最大自然循环能力的影响。

结果表明：系统在常压和带压工况下，HFETR 的最大自然循环能力分别为0.9、2.0 MW 。

自然循环能力随运行压力的升高而增大，随压力壳水温的升高而降低。

本文基于计算数据与理论推导提出了预测不同平均水温下最大自然循环能力的关系式，该公式具有指导反应堆实际运行的工程意义。

关键词：高通量工程试验堆；系统压力；平均水温；自然循环能力中图分类号：TL333 文献标志码：A 文章编号：1000-6931（2010）S0-0198-06Analysis and Research on Natural Circulation Capacity of HFETRXU Tao-zhong ，DUAN Tian-yuan（Nuclear Power Institute of China , Chengdu 610041, China ）Abstract: For the operating characteristics of HFETR, the numerical model of HFETR was established by RELAP5/MOD3 to analysis the maximal natural circulation capacity. Combining with the reactor running condition, the influence of the system pressure was analyzed by ascending power in step method and the pool water temperature on natural circulation characteristics was analyzed by integral power method. The results show that the natural circulation capacity are 0.9 and 2.0 MW separately under low pressure and high pressure , the natural circulation capacity increases as the running pressure increases, however the natural circulation capacity decreases as the coolant temperature increases in the pressure vessel. Based on the computational result and the theoretical deduction ，a correlation was proposed to predicate the relationship between the natural circulation mass flow and the core power under different coolant temperatures.Key words: HFETR ；system pressure ；average coolant temperature ；natural circulation capacity高通量工程试验堆（HFETR ）是中国第1座高通量研究堆，HFETR 正常的冷却方式是在冷却泵的驱动下，冷却剂从上至下流过堆芯。

套管型自然循环回路不稳定现象分析吴祥成;阎昌琪【摘要】为解决熔盐堆排盐罐中熔盐衰变热稳定导出问题,针对套管型自然循环回路开展了不稳定现象研究实验,对实验中观察到的现象和获得的测量数据进行了分析.实验结果表明,中心管对流体预热作用明显,水箱入口温度较低时流体通过中心管后温升高达40 ℃;上升段出口液面波动过程中会出现多个波峰,第1个为主峰,其他为附峰;附峰的持续时间一般会长于主峰;水箱入口水温波动频率高于压力等其他参数.不稳定振荡发生时水箱温度均有一定的过冷度.振荡的周期性不明显,流动存在低频振荡的耦合情况.振荡周期与沸腾延迟时间正向最大偏差为71%,负向最大偏差为37%.%In order to remove decay heat safely from the drain tank,instability research experiment was carried out in thimble tube-type natural circulation loop.The observed phenomena and collected data were analyzed.The results show that the fluid flowing in the center pipe is preheated obviously.Several wave peaks appear when the liquid level goes up and down at the outlet of the heat transfer tube.The first one is called for main peak.Others are called for subordinate peaks.Duration time of subordinate peaks is often longer than that of main peak.Oscillation frequency of temperature at the inlet is higher than those of other parameters.Water in the tank is subcooled when the oscillations occur.The period of oscillation is not obvious.There exists coupling between low frequency oscillations.The positive maximum deviation between the period of oscillation and boiling delay time is 71%,and the negative maximum deviation is 37%.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2016(050)006【总页数】6页(P1008-1013)【关键词】套管;自然循环;不稳定性;喷泉【作者】吴祥成;阎昌琪【作者单位】哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TL353因具有固有安全性特点(重力驱动)，非能动自然循环引起了广泛的关注。

微通道流动沸腾研究综述孙帅杰 张程宾*东南大学能源与环境学院摘 要： 本文通过查阅相关文献， 分别从微通道的判别标准、 流型与换热机理、 流动沸腾的不稳定性、 临界热流密 度研究这几个方面阐述并分析了目前微通道流动沸腾的研究重点与研究现状。

发现目前关于微通道流动沸腾的 内在机理和工作特性的研究尚处在发展阶段，对于微通道内流动沸腾换热过程的实验现象的内在机理还存在争 议， 关于微通道的划分、 临界热流密度的判断标准等还没有普遍的共识， 仍然需要更多的研究工作来完善微通道 流动沸腾理论体系。

关键词： 微通道 流动沸腾 传热机理 临界热流密度Review on Flow Boiling in MicrochannelsSUN Shuai­jie,ZHANG Cheng­bin*School of Energy and Environment,Southeast UniversityAbstract: In this paper,the relevant literatures on flow boiling in microchannels are reviewed.The criteria of microchannel,the flow pattern and heat transfer mechanism of flow boiling in microchannels,the instability of flow boiling and the critical heat flux density are discussed to analyze the research emphases and research status of flow boiling in microchannels.Much about the underlying mechanism and operating characteristics of flow boiling in microchannels is still unknown.The theoretical description on experimental flow boiling in microchannels remains unclear,and there is no general consensus on the criterion of microchannels and critical heat flux density.Therefore, more research work should be conducted to improve the theoretical basis of flow boiling in microchannels.Keywords:microchannel,flow boiling,heat transfer mechanism,critical heat flux density收稿日期： 2020­1­23 通讯作者： 张程宾 （1983~）， 男， 博士， 副教授； 东南大学能源与环境学院 （210096）； E­mail:***************.cn 基金项目： 国家自然科学基金 （No.51776037）随着科学技术的进步和生产需要， 电子设备朝着 微型化和集中化方向发展， 物理尺寸的减小与元件功率的增加使电子设备的热流密度日益增高 [1­4]。

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2018年第37卷第3期·884·化 工 进展基于不同润湿性微细通道过冷沸腾起始点（ONB ）的实验研究罗小平，王文，廖政标，郭峰，吴迪，张霖（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）摘要：为了研究微细通道壁面润湿性对过冷沸腾起始点（ONB ）的影响，采用CuCl 2溶液刻蚀普通光滑表面微细通道得到超亲水表面微细通道，再用氟硅烷溶液修饰超亲水表面微细通道得到超疏水表面微细通道。

以R141b 为实验工质，在压力为170kPa 、质量流率302.7～417.2kg/(m 2·s)、热流密度2.17～29.9kW/m 2的工况下进行流动沸腾实验。

结果表明：超疏水表面微细通道ONB 点的过热度最低，普通光滑表面微细通道达到ONB 点所需过热度最高；随着热流密度的增大，距离出口最近的测点最先开始沸腾，达到ONB 点所需过热度也为最小；随着质量流率的增大，ONB 点的过热度逐渐增大。

本文选取了7种典型的ONB 点处壁面过热度预测公式，将实验值与公式预测值进行对比，发现HSU 模型的预测效果最好，对光滑/超亲水/超疏水表面微细通道ONB 过热度预测平均绝对误差（MAE ）值分别为13.1%、20.8%和21.5%。

为了更好地预测具有特殊润湿性表面的ONB 过热度，引入表面能参数对HSU 模型进行修正，预测精度大大提高。

关键词：壁面润湿性；过冷沸腾起始点；流动沸腾；微细通道中图分类号：TK124 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）03–0884–09 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1223Experimental study on onset of nucleate boiling （ONB ）in differentwettability micro-channelsLUO Xiaoping ，WANG Wen ，LIAO Zhengbiao ，GUO Feng ，WU Di ，ZHANG Lin（School of Mechanical and Automotive Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510640，Guangdong ，China ）Abstract ：Experiments were conducted to study the effect of wettability on onset of nucleate boiling （ONB ）. The super-hydrophilic surface micro-channel was obtained by etching smooth surface micro-channel with CuCl 2 solution and then modifying with fluorosilane solution subsequentially. At thepressure of 170kPa ，flow boiling experiment was carried out with R141b ，the mass flow rate is 302.7—417.2kg/(m 2·s) and heat flux is 2.17—29.9kW/m 2. The experimental results showed that the wall superheat at ONB on super-hydrophobic surface is the lowest ，and the superheat on smooth surface is the highest ，the nearest measurement point from the exit boiling at first ，and wall superheat for ONB is also the minimal ；the wall superheat for ONB increased with increasing of mass flux. Seven typical prediction formulas of wall superheat at the ONB were selected. The experimental results were compared with the predicted ones. It is concluded that the HSU’ model has the best predictive values. The predictive values for superheat at ONB on the smooth / super-hydrophilic/super-hydrophobic surface micro-channel were studied. The mean absolute error （MAE ）is 13.1%，20.8% and 21.5% respectively. In order to better predict the wall superheat at ONB on special wettability surface ，the surface energy parameters were introduced to modify HSU’ model ，and the prediction accuracy was greatly improved. Key words ：surface wettability ；onset of nucleate boiling （ONB ）；flow boiling ；micro-channel研究方向为微通道换热器相变传热、EHD 强化沸腾传热及其控制。

受热管内流动过冷沸腾的研究
,其中热管内流动的过冷沸腾指的是由于冷却过程中的多相平衡的改变，热管内的流体可以在冷却的过程中沸腾而形成蒸汽，而沸腾过程中的
温度低于其沸点温度，这是一个复杂而有趣的热流体物理现象。

研究热管内流动过冷沸腾的第一步是对它的本质特性进行详细的分析，以及对其影响因素的深入研究。

热管内流动的过冷沸腾受流体性质、热管
的形状和尺寸以及热传导和热对流等因素的影响。

此外，还需要考虑到流
体运动的影响，如流体速度和流动模式等。

此外，研究热管内流动过冷沸腾还需要考虑实验设计及对非稳定性的
表征等。

为了研究热管内过冷沸腾，需要采用合适的实验设施和方法，例
如热量测量仪器、电子加热器、可视化设备等。

它也可以用来研究非稳定
性行为，特别是当流体的内质量在热管内流动时出现的涡流层泡沫行为。

过冷沸腾发生的条件
嘿，咱今天就来聊聊过冷沸腾发生的条件哈。

你知道不，这过冷沸腾就像是一场奇妙的“魔术表演”。

要让这场“魔术”发生，那得有几个关键条件呢。

首先呀，温度得够特别，就像天气得冷到一定程度，才能有那种奇妙的变化。

这温度得低得恰到好处，不能太冷也不能太热，不然这“魔术”可就玩不转啦。

然后呢，压力也很重要哦。

就好像你骑自行车，轮胎的气不能太多也不能太少，得刚刚好。

压力不合适的话，过冷沸腾就只能在一边干瞪眼，没法出现啦。

还有哦，这介质也得选对。

就跟你找朋友似的，得找个能和你玩到一块儿的。

要是介质不对，那过冷沸腾也没法好好“表演”啦。

想象一下哈，温度、压力和介质，这三者就像是三个小伙伴，得齐心协力才能让过冷沸腾这个“大明星”闪亮登场。

要是它们闹别扭了，那可就没戏咯。

哎呀，你说这过冷沸腾的条件是不是挺有意思的呀。

有时候我就想，大自然还真神奇，能搞出这么多奇妙的现象。

咱可得好好研究研究，说不定哪天还能发现更多好玩的呢。

总之呀，要想看到过冷沸腾这场“精彩演出”，就得把温度、压力和介质都照顾好，让它们好好配合。

这样，我们就能欣赏到这神奇的一幕啦。

嘿嘿，说了这么多，其实就是想让你对过冷沸腾发生的条件有个更清楚的认识。

就像咱过日子一样，得方方面面都考虑到，才能过得顺顺利利的。

希望你以后再遇到过冷沸腾的时候，能想起我今天说的这些话，然后笑着说：“哦，原来这就是过冷沸腾呀！”
好啦，就说到这儿啦，下次再聊别的好玩的事儿哈！。