發(fā)布時(shí)間：2017-12-08 19:34

  本文關(guān)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(shí)驗(yàn)堆中,來自等離子體的高熱負(fù)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(fù)荷,目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(zhì),采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,在非對稱高溫高熱負(fù)荷條件下,對內(nèi)插扭帶管的過冷流動(dòng)沸騰進(jìn)行研究,分析流場的傳熱和流動(dòng)特性,并將分析結(jié)果與內(nèi)螺紋管和光滑圓管的結(jié)果相對比。(1)過冷流動(dòng)沸騰傳熱和流動(dòng)特性的數(shù)值模擬利用Fluent軟件,對垂直向上內(nèi)插扭帶管、內(nèi)螺紋管和光滑管進(jìn)行管內(nèi)流動(dòng)過冷沸騰強(qiáng)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(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證,對歐拉方程進(jìn)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(dǎo)區(qū)域、熱力學(xué)干度、空泡份額和溫度分布;對內(nèi)插扭帶管、光滑管和內(nèi)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(jìn)行了模擬和對比分析;在不同擾動(dòng)比和扭帶寬度比條件下,分析了內(nèi)插扭帶管管內(nèi)流動(dòng)過冷沸騰強(qiáng)化傳熱和流動(dòng)特性。研究結(jié)果如下:隨著熱流密度的增大,泡核沸騰起始點(diǎn)(ONB)和充分發(fā)展沸騰點(diǎn)(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(nèi)層鉻鋯銅管最先發(fā)生損壞;內(nèi)插扭帶管的扭帶和內(nèi)螺紋管內(nèi)的螺旋翅片能誘導(dǎo)產(chǎn)生旋流,從而提高湍流強(qiáng)度,并推遲偏離核態(tài)沸騰(DNB)。扭帶管混合整個(gè)流場產(chǎn)生旋流,內(nèi)螺紋管內(nèi)的螺旋翅片主要混合近壁面處的流場。綜合考慮內(nèi)螺紋管、內(nèi)插扭帶管和光滑管的傳熱和流動(dòng)特性,內(nèi)插扭帶管的傳熱特性最好;隨著擾動(dòng)比的減小,內(nèi)插扭帶管的努塞爾數(shù)和摩擦因子逐漸增大。擾動(dòng)比y=4時(shí)的強(qiáng)化傳熱因子最大。內(nèi)插扭帶寬度比的增大導(dǎo)致內(nèi)插扭帶管的努塞爾數(shù)和摩擦因子增大。內(nèi)插扭帶寬度比w=0.29時(shí),管道的強(qiáng)化傳熱因子最大。(2)過冷流動(dòng)沸騰傳熱和流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究介紹了管內(nèi)流動(dòng)過冷沸騰強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成、冷卻管實(shí)驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)、參數(shù)測量方法及數(shù)據(jù)處理。在不同熱流密度、不同質(zhì)量流速等條件下,對內(nèi)插扭帶管和光滑管進(jìn)行了管內(nèi)流動(dòng)過冷沸騰的實(shí)驗(yàn)研究,得到熱流密度和質(zhì)量流速對過冷沸騰兩相流強(qiáng)化傳熱和流動(dòng)特性的影響機(jī)理,比較內(nèi)插扭帶管與光滑管的管內(nèi)流動(dòng)過冷沸騰傳熱和流動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):在光滑管管內(nèi)流動(dòng)過冷沸騰中,有熱進(jìn)口效應(yīng)的影響。隨著熱流密度和質(zhì)量流速的增大,光滑管的強(qiáng)化傳熱特性提高。冷卻管進(jìn)出口壓力降受熱流密度的影響較小。將擾動(dòng)比為4、6的內(nèi)插扭帶管與光滑管進(jìn)行過冷沸騰比較分析,擾動(dòng)比為4的內(nèi)插扭帶管的強(qiáng)化傳熱特性最好。(3)臨界熱流密度預(yù)測模型的評價(jià)介紹了臨界熱流密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法。利用傳熱和流動(dòng)特性參數(shù)之間對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從臨界熱流發(fā)生機(jī)理角度出發(fā),根據(jù)水冷偏濾器非對稱高溫高熱負(fù)荷的應(yīng)用場合,在不同干度和質(zhì)量流速條件下,對臨界熱流密度進(jìn)行了研究。研究結(jié)果如下:當(dāng)干度減小或質(zhì)量流速增大時(shí),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(nèi)插扭帶管的臨界熱流密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源,并對CHF關(guān)聯(lián)式進(jìn)行預(yù)測和評估。臨界熱流密度經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(guān)系式和修正的Tong-75公式。在這幾種預(yù)測模型中,修正的Tong-75關(guān)聯(lián)式(光滑管)預(yù)測性能最好。(4)熱應(yīng)力分析對偏濾器Monoblock的內(nèi)插扭帶管、內(nèi)螺紋管和光滑管進(jìn)行了熱應(yīng)力分析。與光滑管與內(nèi)螺紋管相比較,內(nèi)插扭帶管上鎢塊和鉻鋯銅管的二次應(yīng)力都最小;在內(nèi)插扭帶管中,鎢塊的三種二次應(yīng)力均在3Sm許用應(yīng)力范圍內(nèi),鉻鋯銅管的三種二次應(yīng)力均超過其3Sm許用范圍,但是滿足Bree-diagram準(zhǔn)則。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL64

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本文編號：1267612