發(fā)布時間：2017-12-08 19:34

  本文關鍵詞：聚變堆偏濾器過冷沸騰的傳熱特性研究

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【摘要】：在 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)國際熱核聚變實驗堆中,來自等離子體的高熱負荷影響著聚變堆偏濾器的安全性和可靠性,需排出偏濾器所受的高熱負荷,目標是設計一種能夠在偏濾器高溫高壓條件下工作的傳熱元件。本文選取水為冷卻介質,采用數(shù)值模擬和實驗研究相結合的方法,在非對稱高溫高熱負荷條件下,對內插扭帶管的過冷流動沸騰進行研究,分析流場的傳熱和流動特性,并將分析結果與內螺紋管和光滑圓管的結果相對比。(1)過冷流動沸騰傳熱和流動特性的數(shù)值模擬利用Fluent軟件,對垂直向上內插扭帶管、內螺紋管和光滑管進行管內流動過冷沸騰強化傳熱的對比模擬分析,采用歐拉多相流模型耦合非平衡沸騰模型的方法,進行網格獨立性驗證,對歐拉方程進行有限體積離散法求解。在不同熱流密度條件下,模擬分析了光滑管的熱傳導區(qū)域、熱力學干度、空泡份額和溫度分布;對內插扭帶管、光滑管和內螺紋管的液固交界面的壁溫、流體的流線、固體組件的溫度、壓力降和空泡份額進行了模擬和對比分析;在不同擾動比和扭帶寬度比條件下,分析了內插扭帶管管內流動過冷沸騰強化傳熱和流動特性。研究結果如下:隨著熱流密度的增大,泡核沸騰起始點(ONB)和充分發(fā)展沸騰點(FDB)出現(xiàn)的越來越早。在本文的工況條件下,傳熱區(qū)域可由以下三部分組成:液體單相對流傳熱區(qū)、局部欠熱沸騰區(qū)和充分發(fā)展欠熱沸騰區(qū)。隨著熱流密度的增加,與最外層的鎢塊和中間層無氧銅管相比較,最內層鉻鋯銅管最先發(fā)生損壞;內插扭帶管的扭帶和內螺紋管內的螺旋翅片能誘導產生旋流,從而提高湍流強度,并推遲偏離核態(tài)沸騰(DNB)。扭帶管混合整個流場產生旋流,內螺紋管內的螺旋翅片主要混合近壁面處的流場。綜合考慮內螺紋管、內插扭帶管和光滑管的傳熱和流動特性,內插扭帶管的傳熱特性最好;隨著擾動比的減小,內插扭帶管的努塞爾數(shù)和摩擦因子逐漸增大。擾動比y=4時的強化傳熱因子最大。內插扭帶寬度比的增大導致內插扭帶管的努塞爾數(shù)和摩擦因子增大。內插扭帶寬度比w=0.29時,管道的強化傳熱因子最大。(2)過冷流動沸騰傳熱和流動特性的實驗研究介紹了管內流動過冷沸騰強化傳熱實驗系統(tǒng)的組成、冷卻管實驗段的結構、參數(shù)測量方法及數(shù)據(jù)處理。在不同熱流密度、不同質量流速等條件下,對內插扭帶管和光滑管進行了管內流動過冷沸騰的實驗研究,得到熱流密度和質量流速對過冷沸騰兩相流強化傳熱和流動特性的影響機理,比較內插扭帶管與光滑管的管內流動過冷沸騰傳熱和流動特性。實驗研究發(fā)現(xiàn):在光滑管管內流動過冷沸騰中,有熱進口效應的影響。隨著熱流密度和質量流速的增大,光滑管的強化傳熱特性提高。冷卻管進出口壓力降受熱流密度的影響較小。將擾動比為4、6的內插扭帶管與光滑管進行過冷沸騰比較分析,擾動比為4的內插扭帶管的強化傳熱特性最好。(3)臨界熱流密度預測模型的評價介紹了臨界熱流密度實驗數(shù)據(jù)的處理方法。利用傳熱和流動特性參數(shù)之間對應的實驗數(shù)據(jù),從臨界熱流發(fā)生機理角度出發(fā),根據(jù)水冷偏濾器非對稱高溫高熱負荷的應用場合,在不同干度和質量流速條件下,對臨界熱流密度進行了研究。研究結果如下:當干度減小或質量流速增大時,臨界熱流密度隨之增大,并推遲了臨界熱流密度的出現(xiàn)。收集高溫高壓條件下的光滑管和內插扭帶管的臨界熱流密度的實驗數(shù)據(jù)源,并對CHF關聯(lián)式進行預測和評估。臨界熱流密度經驗關聯(lián)式如下:Bowring公式、原全蘇熱工研究所采用的過冷沸騰臨界熱流密度關系式和修正的Tong-75公式。在這幾種預測模型中,修正的Tong-75關聯(lián)式(光滑管)預測性能最好。(4)熱應力分析對偏濾器Monoblock的內插扭帶管、內螺紋管和光滑管進行了熱應力分析。與光滑管與內螺紋管相比較,內插扭帶管上鎢塊和鉻鋯銅管的二次應力都最小;在內插扭帶管中,鎢塊的三種二次應力均在3Sm許用應力范圍內,鉻鋯銅管的三種二次應力均超過其3Sm許用范圍,但是滿足Bree-diagram準則。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL64

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本文編號：1267612