燃料棒再淹没淬冷沸腾传热特性研究
淬冷是指高温物体接触低温介质时所发生的快速冷却现象，常应用于工业冷却以及核反应堆安全等方面。燃料棒的再淹没淬冷沸腾过程是复杂的瞬态两相流与传热过程，受多种因素的影响作用。本文围绕圆棒再淹没淬冷沸腾现象，进行可视化和测量实验，基于图像处理和导热反问题方法得到气膜厚度、淬冷前沿传播速率、最小膜态沸腾温度、膜态沸腾换热系数等数据，分析过冷度、流速、内热源热流密度、表面形貌等影响因素条件下的圆棒再淹没淬冷沸腾流动与传热特性。主要研究内容与结论如下: 首先，根据实验工况设计并搭建实验平台，进行圆棒再淹没淬冷沸腾可视化实验，结合图像处理技术获得气膜演化过程、气膜厚度以及淬冷前沿传播速率等数据，探究不同影响因素对圆棒再淹没淬冷沸腾气膜演化的影响规律。结果表明，各影响因素中，冷却剂过冷度对淬冷时长以及气膜演化的影响最为显著，随着过冷度由5℃增加至25℃，不锈钢圆棒膜态沸腾时长缩短了 84.1％,整体淬冷沸腾时间缩短了 75％,Tw-Tsat=500℃所对应的膜态沸腾气膜厚度由0.966 mm降低至0.15 mm,气膜波动幅度也显著下降，过渡与核态沸腾淬冷前沿传播速率由0.611 mm/s提升至3.03 mm/s;冷却剂流速的增加同样会导致膜态沸腾时间以及整体淬冷时长有所缩短，圆棒气膜厚度出现微量降低，气膜波动幅度没有明显改变，淬冷前沿传播速度微量提升;内热源的增加会大大提升膜态沸腾阶段时长，缩短过渡与核态沸腾时长，加快淬冷前沿传播速度，但对气膜厚度几乎无影响。 其次，基于圆棒再淹没淬冷实验温度数据，结合导热反问题方法反演并计算出圆棒表面温度以及热流密度，探究不同影响因素对圆棒再淹没淬冷沸腾传热特性的影响规律。结果表明，冷却剂过冷度增加、冷却剂流速增加、圆棒内热源热流密度减小、螺纹牙型高度增加均可以增强沸腾换热性能，提高壁面冷却速率，加快再淹没淬冷沸腾进程，其中过冷度的影响最为显著。最小膜态沸腾温度Tmin和临界热流密度qCHF均随冷却剂过冷度、冷却剂流速、螺纹牙型高度的增加而增大。 最后，建立圆棒再淹没淬冷沸腾最小膜态沸腾温度Tmin和膜态沸腾Nu数经验关系式。考虑到冷却剂过冷度对最小膜态沸腾温度Tmin和膜态沸腾Nu数的影响最为显著，冷却剂流速和固体物性参数次之，内热源热流密度对膜态沸腾Nu数几乎没有影响，在此基础上，建立了最小膜态沸腾温度、膜态沸腾换热Nu数的预测关系式，与实验值验证得到其误差范围均在可接受范围内，证明了其可靠性。 综上，本文对不同影响因素下的圆棒再淹没淬冷沸腾流动与传热特性进行了实验探究，对影响因素的影响规律与作用机理进行了分析总结，为强化再淹没淬冷沸腾换热性能，提高反应堆堆芯安全提供思路。
反应堆;燃料棒;再淹没淬冷沸腾;传热性能
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
罗彦
2023
中文
TL352
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）