含内热源球床通道内流动沸腾特性研究
球床水冷反应堆是一种将成熟的水冷堆技术与性能优异的球形燃料相结合的新概念堆型，具有堆芯寿期长、建造成本低、固有安全性高及防止核扩散等优点，是一种非常具有发展前景的小型化反应堆。反应堆堆芯内的发热球形燃料元件紧密排列在燃料管内，构成了复杂地强内热源球床通道，深入研究通道内的沸腾特性，将为研制安全可靠的球床水冷堆创造必要条件。 本文以水为工质，在石英玻璃管内填充直径为5～12mm的表面氧化碳钢球，采用电磁感应方式对其进行加热，对核态沸腾起始点（ONB）、汽泡行为、汽液沸腾流型及沸腾换热进行了研究，主要研究工作如下： 研究了质量流速、局部过冷度及球径对球床通道内核态沸腾起始点时所需热流密度的影响；通过可视化观察及与常规通道内核态沸腾起始点判定准则相对比，发现汽泡首先出现在球与球相接触的角区，并且核态沸腾起始点所需壁面过热度要低于常规通道内的值。为了在机理方面对该现象进行解释，本文通过数值计算对角区内的温度及速度分布进行了研究，并基于实验数据提出了一个关于核态沸腾起始点判定准则的关联式； 根据横向和纵向角区位置处的汽泡核化与生长情况，给出了汽泡在生长过程中的圆度变化及生长曲线，分别讨论了热流密度、角区结构、进口温度和质量流速对生长曲线的影响，并以Zuber模型为基础，引入雷诺数，提出了适用于不同角区结构处的汽泡生长模型；分析了横向及纵向角区位置处的汽泡脱离及浮升现象，并提出了脱离及浮升直径预测模型；讨论了热流密度、进口温度及质量流速对汽泡周期的影响；通过观察主流中的汽泡行为及直径大小分布，发现汽泡主要存在直接泯灭和再长大两种情况，并分析了热流密度、进口温度和质量流速对汽泡直径概率密度分布函数的影响； 将球床通道内的流型划分为泡状流、弹状流及环状流，描述了各流型的特点，并以质量含汽率 x为横坐标，进口质量流速G为纵坐标绘制流型图，分析了质量流速和颗粒直径对流型转变的影响，通过引入Rep、D/dp以及x，提出了球床通道内沸腾流型转变界限判定准则关系式；通过对流型图像分析发现：汽泡聚合、破裂及生长是影响流型转变的主要因素，并得到了五种汽泡聚合方式与两种破裂方式。 研究了质量流速、热流密度、含汽率等参数对过冷及饱和沸腾换热系数的影响，通过引入无量纲参数对流数Co、沸腾数Bo及管径与球径比值D/dp，提出了沸腾换热系数预测关系式，并讨论了对流数Co及沸腾数Bo对饱和沸腾换热的影响。
含内热源;球床水冷堆;核态沸腾起始点;汽泡行为;沸腾换热
哈尔滨工程大学
博士
核能科学与工程
孙中宁
2015
中文
TL421;TL331
149
2016-05-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）