核推進(jìn)以其能量密度大、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于船舶動力領(lǐng)域,如核動力艦船、核動力商船以及海洋核動力平臺等。由于受船舶核動力裝置的空間限制,具有緊湊結(jié)構(gòu)的板狀燃料元件和換熱器的布置是必要的。海洋條件會引起冷卻劑發(fā)生周期性波動,當(dāng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性時(shí),二者相互作用使得系統(tǒng)呈現(xiàn)更加復(fù)雜的流動形態(tài)。本文主要針對搖擺條件下窄矩形通道內(nèi)的流動不穩(wěn)定性開展了全面的實(shí)驗(yàn)研究和非線性分析。以去離子水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì),開展豎直靜止及搖擺狀態(tài)下窄矩形通道內(nèi)的低驅(qū)動壓頭強(qiáng)迫循環(huán)流動不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究。靜止實(shí)驗(yàn)中觀察到了密度波脈動(DWO)、壓力降脈動(PDO)以及Ledinegg不穩(wěn)定性,獲得了本論文的流動不穩(wěn)定性起始點(diǎn)(OFI)預(yù)測關(guān)系式和流動不穩(wěn)定邊界,并與常規(guī)通道和微通道內(nèi)流動不穩(wěn)定性機(jī)理進(jìn)行對比。隨著質(zhì)量流速的逐漸降低,搖擺工況依次出現(xiàn)了單相波動、波谷型脈動、耦合型脈動以及兩相波動。其中波谷型脈動是典型的搖擺誘發(fā)的兩相不穩(wěn)定性,其形成機(jī)理是波谷處的劇烈產(chǎn)汽,耦合型脈動是搖擺引起的熱工水力脈動與PDO之間的疊加。從波動幅度、頻譜特征以及流型對搖擺條件下強(qiáng)迫循環(huán)流動不穩(wěn)定性的演化特性進(jìn)行分析,并將其分為搖擺占優(yōu)區(qū)、共振耦合區(qū)以及熱工水力占優(yōu)區(qū)。對豎直及搖擺條件下窄矩形通道內(nèi)的自然循環(huán)流動不穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果表明豎直自然循環(huán)工況會出現(xiàn)靜態(tài)流量漂移現(xiàn)象和DWO,系統(tǒng)壓力的增加或入口過冷度的降低會導(dǎo)致流量漂移被削弱直至消失。通過由相變數(shù)(Npch)和過冷度數(shù)(Nsub)組成的二維相空間中確定DWO的邊界,結(jié)果顯示DWO的范圍較廣,且在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)壓力(p = 0.1～0.3MPa)對其邊界的影響不明顯。實(shí)驗(yàn)研究還表明搖擺運(yùn)動會導(dǎo)致自然循環(huán)工況OFI提前發(fā)生,但卻引起耦合型脈動的滯后,這是由于波谷型脈動是由冷卻劑波動誘發(fā)的,而耦合型脈動則是以DWO的發(fā)生為前提,且受搖擺劇烈程度的影響。在本論文參數(shù)范圍內(nèi),搖擺參數(shù)對OFI的影響不明顯,但隨著搖擺劇烈程度的增加,耦合型脈動起始點(diǎn)滯后現(xiàn)象越來越明顯。搖擺引起的空間位置變化使得自然循環(huán)靜態(tài)漂移現(xiàn)象提前發(fā)生,即系統(tǒng)的自然循能力限和輸熱能力限會減小,隨著搖擺角度的增加,這種減小的程度越大,但搖擺周期的影響不明顯。此外,搖擺誘發(fā)的逆流現(xiàn)象使得入口水溫出現(xiàn)波動,且導(dǎo)致了系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性提前發(fā)生,從而大大降低了系統(tǒng)的安全閾值。通過快速傅里葉分析(FFT)和小波分析,分別從頻域和時(shí)頻域研究了搖擺工況下熱工水力系統(tǒng)的頻率結(jié)構(gòu)特征及其分布特性,其結(jié)果表明搖擺對應(yīng)頻段的能量出現(xiàn)先增加后減小的非線性趨勢,這是因?yàn)樵隈詈瞎舱駞^(qū)域搖擺運(yùn)動與熱工水力脈動之間的共振作用使得信號波動加劇,而隨著熱流的增加,熱工水力因素明顯占據(jù)優(yōu)勢,系統(tǒng)阻力和驅(qū)動力的增加使得搖擺的影響被削弱。通過相空間重構(gòu)、刻畫吸引子結(jié)構(gòu)以及計(jì)算關(guān)聯(lián)維數(shù)、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指數(shù)等幾何特征量對搖擺條件下的流動不穩(wěn)定性進(jìn)行非線性分析,分析結(jié)果表明隨著熱流密度的增加,系統(tǒng)的非線性程度逐漸增加并最終趨于與靜止工況一致。在熱流密度較低的單相區(qū)域內(nèi)搖擺參數(shù)對系統(tǒng)非線性程度的影響較小,而在波谷型脈動和耦合型脈動區(qū)域,搖擺強(qiáng)度的增加會減小系統(tǒng)的無序程度。此外,基于非線性理論,分別從驅(qū)動力和耗散力間的競爭關(guān)系以及系統(tǒng)熵變的角度分析了搖擺對熱工水力系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性的影響機(jī)理。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TL33
【部分圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文??過程中可保證測壓管內(nèi)流體溫度不受實(shí)驗(yàn)段加熱的影響。??（１）實(shí)驗(yàn)段??如圖２．２所示，實(shí)驗(yàn)段為典型的窄矩形通道（矩形窄縫），不銹鋼材質(zhì)，其名義??尺寸為２ｍｍｘ４０ｍｍｘｌ〇〇〇ｍｍ，通過將高頻直流電源直接加載于流道本體使其發(fā)熱。??實(shí)驗(yàn)本體主要由窄矩形流道、絕緣云母板及不銹鋼承壓殼組成，其中云母板保證流??道與承壓殼之間絕緣并減少散熱損失，在實(shí)驗(yàn)本體兩端通過帶聚四氟乙烯墊片的法??蘭使本體與回路保持絕緣。另外，在實(shí)驗(yàn)本體外部包裹熱絕緣層，以減小本體熱量??散失并保證實(shí)驗(yàn)段熱平衡。在實(shí)驗(yàn)段外壁面安裝６個(gè)Ｎ型熱電偶，距離實(shí)驗(yàn)段入口??分別為ｘ／Ｄ／＾３７、８２、１４１、２０４、２４５、３１１，在實(shí)驗(yàn)段的兩端，通過插入鎧裝熱電??偶分別測量出、入口的流體溫度。此外，在實(shí)驗(yàn)流道的寬邊壁面設(shè)置有測壓孔Ｐ１、??Ｐ２和Ｐ３，其距離實(shí)驗(yàn)段入口分別為ｘＡＤ／＾５２、２５９、３〗８，實(shí)驗(yàn)過程中測量Ｐ１和Ｐ２（Ｚｌｐ，＿２）??以及Ｐ２和Ｐ３之間的壓降（２＿３。??

第２章實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案??動機(jī)構(gòu)??為一個(gè)２．５ｍｘ２ｍ的矩形平面，如圖２．３所示，整個(gè)熱工水平臺上從而實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動，具體的細(xì)節(jié)參照文獻(xiàn)［６４］。搖回路的垂直中軸線重合，兩者通過螺栓螺母連接在一起，，整個(gè)搖擺平臺及實(shí)驗(yàn)回路可繞軸線做搖擺運(yùn)動，當(dāng)平臺處于垂直狀態(tài)。??逆時(shí)針運(yùn)動?１?顒時(shí)針運(yùn)動??’

第２章實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案??２．２．２實(shí)驗(yàn)方法??（１）強(qiáng)迫循環(huán)流動不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。??對于強(qiáng)迫循環(huán)下的流動不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)而言，通常有兩種實(shí)驗(yàn)方法，一種定流量、逐漸增加實(shí)驗(yàn)段的加熱功率，另一種則是定實(shí)驗(yàn)段的熱流密度、逐漸降道的入口流量。前者由于加熱過程中阻力的變化以及自然循環(huán)的影響，實(shí)驗(yàn)段口流量會出現(xiàn)變化。如圖２．４所示，單相區(qū)域系統(tǒng)的入口流量隨加熱功率的增化較小，隨著沸騰的發(fā)生，通道入口流量逐漸增加，而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生Ｌｅｄｉｎｅｇｇ不性（ＬＥＤ）時(shí)，流量則發(fā)生了驟降�；趩巍兞康脑瓌t，本文故不采用此方法。者通過變頻器改變主泵的轉(zhuǎn)速從而減小入口流量，使用此種方法不但避免了其量的引入，同時(shí)還獲得／通道的熱工水力特性曲線（Ｄｅｍａｎｄ?ｃｕｒｖｅ），為常見的流動不穩(wěn)定性類型判定提供參考。
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本文編號：2839492