池内浸没双向喷嘴蒸汽直接接触凝结实验研究及数值模拟
蒸汽直接接触凝结由于具有极高的传热传质效率，在核电、石油、化工等能源领域具有广泛的应用前景。然而蒸汽浸没射流凝结时两相界面剧烈波动，在相关设备内产生明显的温度波动和压力振荡，可能造成关键设备的疲劳失效甚至引起严重的共振现象。因此，研究蒸汽进入过冷水后的凝结振荡机理具有重要意义。 首先，本文通过搭建池内浸没双向喷嘴蒸汽直接接触凝结试验台，采用可视化实验分析了两相界面在管内和池内的几何形态和运动特性，识别的凝结流型包括喘振、振荡泡状流-I型和振荡泡状流-Ⅱ型，并且分析了蒸汽质量流量和过冷水温度对凝结流型的影响。 其次，研究了蒸汽凝结导致的温度振荡特性。喘振凝结时，管内出现明显的温度脉冲振荡，而池内温度振荡很小。随着过冷水温度的升高，管内的温度振荡强度和振荡频率均逐渐降低。随着蒸汽质量流量的增加，管内的温度振荡强度也逐渐降低，而管内的温度振荡频率先增加后减小，并在蒸汽质量流量为6kg·h-1时取得最大值。 另外，重点研究和分析了蒸汽凝结管内和池内压力振荡特性。喘振凝结时，管内和池内压力信号均为逐渐衰减的脉冲振荡；振荡泡状流-I时管内和池内压力信号介于脉冲振荡和连续振荡之间；振荡泡状流-Ⅱ时，管内和池内压力信号均为连续振荡。随着蒸汽质量流量的增加，管内和池内的压力振荡强度均逐渐增加；随着过冷水温度的升高，管内压力振荡强度逐渐降低，池内压力振荡强度先增加后减小，并在过冷水温度为50~65℃时取得最大值。还研究了不同凝结流型下管内和池内压力振荡PDF分布规律。进一步分析了压力振荡的频率特性，喘振时，随着蒸汽质量流量的增加和过冷水温度的升高，池内压力脉冲振荡频率降低；振荡泡状流-I型时无明显的压力振荡频率；振荡泡状流-Ⅱ型时池内与管内的压力振荡频谱一致，并且根据不同工况下得到的压力振荡主频，提出了新的压力振荡主频预测关联式，与实验值相比，预测值误差小于10%。 最后，对三种典型凝结流型进行了数值模拟和机理分析。建立了蒸汽直接接触凝结模型，对上述三种典型凝结流型进行数值模拟。模拟结果中两相界面特征及压力振荡特性均与实验结果吻合良好，分析了三种凝结流型下的压力分布特性和蒸汽凝结速率，并且研究了蒸汽凝结导致的热力学参数即压力、温度和速度振荡的协同瞬变过程，揭示了池内双向喷嘴蒸汽直接接凝结机理。 通过上述实验研究和数值模拟研究可以深入揭示池内浸没双向喷嘴蒸汽直接接触凝结的定性特征和定量特征，进而为相关设备的安全设计与稳定运行提供一定的参考和指导。
池内浸没;双向喷嘴;蒸汽直接接触凝结试验台;可视化实验;数值模拟
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
卢涛
2022
中文
TQ026.2
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）