分類號(hào) 密級(jí) 學(xué)校代碼 80149 編號(hào) 學(xué) 號(hào) 200428014924001 中國(guó)科學(xué)院研究生院 碩士學(xué)位論文 微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性和壓降特性的研究 指導(dǎo)教師 研究員 博士 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 申請(qǐng)學(xué)位 碩士 學(xué)科專業(yè) 工程熱物理 論文提交日期 2007 論文答辯日期 2007 培養(yǎng)單位 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國(guó)科學(xué)院研究生院 答辯委員會(huì)主席 摘 要 I 摘 要 本文以甲醇為工質(zhì)，在不同進(jìn)口溫度、質(zhì)量流速、熱流密度和傾角下低高寬比矩形微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性和壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 在寬廣的參數(shù)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)存在兩類不穩(wěn)定性：流量漂移靜態(tài)不穩(wěn)定性和壓 力降型脈動(dòng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。分析發(fā)現(xiàn)由于實(shí)驗(yàn)段本身大長(zhǎng)徑比（ L/d = 實(shí)驗(yàn)段上游可壓縮容積的存在，導(dǎo)致水動(dòng)力曲線負(fù)斜率區(qū)壓力降型脈動(dòng)的發(fā)生。分析了進(jìn)口溫度、傾角、質(zhì)量流量、熱流密度等因素對(duì)不穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)壓力降型脈動(dòng)的發(fā)生主要取決于質(zhì)量流量、熱流密度及進(jìn)口溫度三者的影響，得出了以熱力學(xué)平衡質(zhì)量含氣率表示的脈動(dòng)工況界限范圍。 此外，對(duì)低高寬比微通道流動(dòng)沸騰壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分別采用均相模型和分相模型對(duì)通道壓降進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)采用的六個(gè)公式進(jìn)行了校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有公式不能很好的預(yù)測(cè)本實(shí)驗(yàn)中微通道兩相 壓降。提出了一個(gè)新的考慮了通道尺寸和質(zhì)量流量影響的微通道兩相流動(dòng)壓降計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果顯示預(yù)測(cè)精度高于前面所采用的六個(gè)公式，平均相對(duì)誤差僅為 關(guān)鍵詞 ：不穩(wěn)定性；壓力降型脈動(dòng)；流量漂移；微通道；壓降特性 微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性及壓降特性的研究 in a of of as to of to in of of of on It is or on in is as In of in a of to in of A to in It of of on in in a is 目 錄 錄 摘 要 . I . 錄 . 一章 緒 論 . 1 本課題的意義 . 1 兩相流不穩(wěn)定性分類和特征 . 2 流量漂移不穩(wěn)定性 . 4 密度波型脈動(dòng) . 5 壓力降型脈動(dòng) . 6 熱力型脈動(dòng) . 7 微尺度兩相流不穩(wěn)定性研究綜述 . 7 本文主要研究?jī)?nèi)容 . 10 第二章 微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究 . 11 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法 . 11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 . 13 靜態(tài)不穩(wěn)定 . 13 典型流量漂移工況 . 13 流量漂移發(fā)生機(jī)理分析 . 14 動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定 . 15 壓力降 型脈動(dòng)發(fā)生條件及機(jī)理 . 15 壓力降型脈動(dòng)的周期特性 . 19 壓力降型脈動(dòng)的振幅特性 . 20 系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)脈動(dòng)的影響 . 21 質(zhì)量流量 . 22 進(jìn)口溫度 . 23 傾角 . 24 其他影響因素 . 24 不穩(wěn)定性的比較分析 . 25 結(jié) 論 . 25 第三章 微通道中流動(dòng)沸騰壓降特性的研究 . 27 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法 . 27 壓降計(jì)算 . 27 數(shù)據(jù)處理 . 27 計(jì)算結(jié)果與討論 . 33 結(jié) 論 . 38 符號(hào)說(shuō)明 . 40 . 41 發(fā)表文章目錄 43 致 謝 44 第 一章 緒 論 1 第一章 緒 論 本課題 的意義 氣液兩相流不穩(wěn)定性廣泛存在于鍋爐、蒸汽發(fā)生器、熱交換器、沸水反應(yīng)堆，以及其他存在氣液兩相流動(dòng)的設(shè)備中，是兩相流和傳熱學(xué)研究的重要分支之一。氣液兩相流不穩(wěn)定性是兩相流系統(tǒng)中不希望發(fā)生的現(xiàn)象，它不僅會(huì)降低熱力系統(tǒng)的運(yùn)行性能，還對(duì)這些設(shè)備的安全構(gòu)成威脅。主要的威脅表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1) 由于不穩(wěn)定性而引發(fā)的機(jī)械振蕩，以及由于熱工參數(shù)的周期性變化而導(dǎo)致設(shè)備的疲勞性破壞； 2) 周期性的脈動(dòng)影響局部傳熱特性，可能使得沸騰危機(jī)提前出現(xiàn)，相當(dāng)于降低臨界熱流密度； 3) 引起控制問(wèn)題或?qū)е孪到y(tǒng)失控。 一 般，在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù) (如質(zhì)量流速、系統(tǒng)壓差 )僅是空間坐標(biāo)的函數(shù)，與時(shí)間變量無(wú)關(guān)。在兩相流不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生非周期性漂移或周期性振蕩現(xiàn)象。這是由于含氣率變化，浮力或者流體體積變化，導(dǎo)致沸騰流道振蕩。實(shí)際系統(tǒng)中，這些運(yùn)行參數(shù)會(huì)受到諸如湍動(dòng)、汽化、兩相流流型變化等擾動(dòng)影響，使其偏離平衡態(tài)做隨時(shí)間變化的波動(dòng)，此時(shí)即可認(rèn)為流動(dòng)是不穩(wěn)定的。 在現(xiàn)代核反應(yīng)堆中，兩相流的水動(dòng)力不穩(wěn)定性是一個(gè)重要的安全性問(wèn)題，在一定的參數(shù)條件下，可能發(fā)生兩相流不穩(wěn)定性。這將導(dǎo)致系統(tǒng)中的流量和壓力的脈動(dòng)現(xiàn)象，也使 得系統(tǒng)的其他參數(shù)，如含汽率或空泡份額發(fā)生周期性脈動(dòng)，并在系統(tǒng)中的汽和液中以不同傳播方式發(fā)生反饋振蕩，也引起系統(tǒng)傳熱發(fā)生振蕩，從而危及反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。 近年來(lái)， 由于微通道對(duì)沸騰換熱具有顯著的強(qiáng)化作用，而且結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)了許多工程應(yīng)用中對(duì)裝置結(jié)構(gòu)小型化、一體化和功能化的要求，使得微通道在微電子冷卻、核反應(yīng)堆工程、航空航天和熱能工程等眾多領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于微通道在強(qiáng)化換熱的同時(shí)帶來(lái)較大的壓阻損失，所以壓降是人們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中所關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。而兩相流不穩(wěn)定性所引起的壓力波動(dòng)是人們關(guān)注的另一個(gè)問(wèn)題，微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性及壓降特性的研究 2 必 須對(duì)微通道不穩(wěn)定性進(jìn)行充分的研究認(rèn)識(shí)以確保其應(yīng)用的安全穩(wěn)定性。 兩相流不穩(wěn)定性分類和特征 兩相流不穩(wěn)定性是流體的熱工參數(shù)隨時(shí)間變化的函數(shù)，是恒振幅或變振幅的流動(dòng)振蕩和零頻率的流量漂移。在實(shí)際系統(tǒng)中，從試驗(yàn)和理論研究的廣度出發(fā)，可以分為微觀不穩(wěn)定性和宏觀不穩(wěn)定性。微觀不穩(wěn)定性只發(fā)生在局部汽液界面。最典型的微觀不穩(wěn)定性有 穩(wěn)定性和 穩(wěn)定性 1,2。前者是兩種不同密度的流體（如汽、液）在重力場(chǎng)的作用下，在一定條件下失穩(wěn)；后者是當(dāng)兩種流體以不同的速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在界面產(chǎn)生的不穩(wěn)定。 對(duì)兩相流不穩(wěn)定性而言，宏觀的不穩(wěn)定性是最主要的不穩(wěn)定類型。 兩相流不穩(wěn)定性分為靜態(tài)不穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。對(duì)靜態(tài)不穩(wěn)定性來(lái)講，穩(wěn)態(tài)條件下，系統(tǒng)參數(shù)只是空間變量的函數(shù)，只與系統(tǒng)本身的流動(dòng)特性有關(guān)。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，還常常伴隨著一些小擾動(dòng)，這些小的擾動(dòng)是推動(dòng)靜態(tài)不穩(wěn)定性發(fā)生的根源。當(dāng)系統(tǒng)受到外界小擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榱硪粋€(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，并在新的穩(wěn)定狀態(tài)建立新的平衡。動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)隨著時(shí)間在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)形成耦合并不斷持續(xù)變化，這種變化與系統(tǒng)內(nèi)兩相流動(dòng)參數(shù)的傳熱遲滯、熱慣性和各種 反饋等因素有關(guān)。從本質(zhì)上說(shuō)，不穩(wěn)定狀態(tài)兩相流動(dòng)的參數(shù)都是時(shí)間的狀態(tài)函數(shù)。 由于兩相流不穩(wěn)定性的重要性，尤其是核反應(yīng)堆和其他蒸汽發(fā)生器如超臨界變壓運(yùn)行鍋爐機(jī)組的廣泛應(yīng)用，這個(gè)領(lǐng)域的安全問(wèn)題就顯得更加重要，因此許多學(xué)者都對(duì)兩相流不穩(wěn)定性進(jìn)行了廣泛深入的研究。 人們很早就對(duì)兩相流不穩(wěn)定現(xiàn)象開(kāi)始認(rèn)識(shí)和研究。早在 1909 年，德國(guó)的在試驗(yàn)中就發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)的兩相流不穩(wěn)定現(xiàn)象，最早對(duì)兩相流不穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究的報(bào)道是 1938 年， 對(duì)自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)中壓差瞬時(shí)增加引起的管內(nèi)流量 急劇減小的問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 上世紀(jì)五十年代，由于核工業(yè)技術(shù)在電力行業(yè)開(kāi)始應(yīng)用，核安全問(wèn)題也就非常嚴(yán)重地?cái)[在了人們的面前。同時(shí)，隨著世界工業(yè)的發(fā)展，能源、動(dòng)力、化工和石油第一章 緒 論 3 行業(yè)大量高壓兩相流裝備相繼采用，如果不能很好地解決兩相流不穩(wěn)定性問(wèn)題，就會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行，因此世界各國(guó)都對(duì)兩相流不穩(wěn)定性現(xiàn)象從機(jī)理、特征到理論分析進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的試驗(yàn)研究和理論研究成果。由于不穩(wěn)定性現(xiàn)象在數(shù)學(xué)上的強(qiáng)非線性特征，并且形成的機(jī)理非常復(fù)雜，直到今天，兩相流不穩(wěn)定性的研究仍然是一門(mén)相當(dāng)年輕的科學(xué)分支。 在 1965 年根據(jù)不穩(wěn)定性發(fā)生的機(jī)理和參數(shù)特征，將汽液兩相流的不穩(wěn)定現(xiàn)象分為三種類型，即：密度波型脈動(dòng) (壓力降型脈動(dòng) (熱力型脈動(dòng) (這種劃分第一次明確了三種不同類型脈動(dòng)的機(jī)理和發(fā)生條件，至今仍被兩相流不穩(wěn)定性研究廣為應(yīng)用。 1973 年 在總結(jié)了前人對(duì)各類不穩(wěn)定性機(jī)理和試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)各種不穩(wěn)定性類型進(jìn)行了更為詳細(xì)的分析和劃分， 不僅包括了 三種劃分方法，而且包括其他幾種不同類型的不穩(wěn)定類型，如表 1 所示。 表 1 流動(dòng)不穩(wěn)定性分類 分類 類型 機(jī)理 特征 1. 靜態(tài)不穩(wěn)定性 純 的）靜態(tài)不 穩(wěn)定性 1) 流量偏差或 穩(wěn)定性 2) 沸騰危機(jī)型 in t| 不能有效地從受熱面帶走熱量 流量突變，大幅改變到一個(gè)新的穩(wěn)定的運(yùn)行條件 壁面溫度改變且流動(dòng)振蕩 本松弛 型不穩(wěn)定 性 1) 流型轉(zhuǎn)換不穩(wěn) 定性 泡狀流與環(huán)狀流比較，空泡率小但壓差大 周期性流型變遷且流量變化，或伴有排除和再充滿可能性 合松弛 型不穩(wěn)定 性 1) 爆沸、類噴泉聲 或爆音 2) 冷凝爆沸 由于缺乏汽化核心，周期性調(diào)整亞穩(wěn)態(tài) 汽泡生長(zhǎng)和冷凝并周期性過(guò)熱和急劇蒸發(fā)過(guò)程 由于冷凝和水涌入微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性及壓降特性的研究 4 伴有水錘聲 向下流動(dòng)管內(nèi)，造成氣流周期性中斷噴出 2. 動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定 性 本（或純 的）動(dòng)態(tài)不 穩(wěn)定性 1) 聲波型脈動(dòng) 2) 密度波 振蕩 壓力波共振 流量、密度和壓降之間的延遲和反饋效應(yīng) 高頻 (10100壓力波在系統(tǒng)中傳播有關(guān) 低頻 (1連續(xù)波通過(guò)的時(shí)間有關(guān) 合動(dòng)態(tài) 不穩(wěn)定性 1) 熱力型脈動(dòng) 2) 變化的傳熱系數(shù)與流體動(dòng)態(tài)間的相互作用 空泡反應(yīng)性與流動(dòng)動(dòng)態(tài)、傳熱耦合相互作用 在膜態(tài)沸騰時(shí)產(chǎn)生 僅當(dāng)小燃料時(shí)間常 數(shù)和較低壓力下發(fā)生 3) 并行通道不穩(wěn) 定 在少量并行通道間的相互作用 多種模態(tài)的流量再分配 次復(fù)合 動(dòng)態(tài)不穩(wěn) 定性 1) 壓力降型脈動(dòng) 流量驟增激發(fā)流道和可壓縮容積相互作用 極低頻率 (周期性脈動(dòng) 從目前的研究成果來(lái)看，對(duì)流量漂移不穩(wěn)定（ 穩(wěn)定）、密度波型不穩(wěn)定、壓力降型不穩(wěn)定、和熱力型不穩(wěn)定的研究報(bào)道比較多，研究得比較充分。其中，密度波型脈動(dòng)、壓力降型脈動(dòng)和熱力型脈動(dòng)也是最為常見(jiàn)和發(fā)生較多的兩相流不穩(wěn)定性類型。 流量漂移不穩(wěn)定性 流量漂移又稱 穩(wěn)定性，其主要特征是穩(wěn)態(tài)的流體受到擾動(dòng)后，偏離第一章 緒 論 5 原來(lái)的流體流動(dòng)工況，在另一個(gè)流量值下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)重 新穩(wěn)定運(yùn)行，并不回到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。這種不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí)，在系統(tǒng)的流量壓差特性曲線上，存在有負(fù)斜率部分。當(dāng)沸騰管段由欠熱段、汽液兩相段和單相的過(guò)熱蒸汽段組成時(shí)，其流量壓差特性曲線存在汽液兩相的負(fù)斜率段。在該系統(tǒng)中，流量變化時(shí)，流道的壓降變化大于系統(tǒng)中外加壓力（通常是驅(qū)動(dòng)泵或者自然循環(huán)壓頭）的變化時(shí)，這種不穩(wěn)定性就會(huì)發(fā)生，發(fā)生不穩(wěn)定的機(jī)理為： in t| 系統(tǒng)內(nèi)部特性， 外部特性。 密度波型脈動(dòng) 密度波型脈動(dòng) (加熱系統(tǒng)存在兩相流條件下最為常見(jiàn)的脈動(dòng)類型。其顯著特征是脈動(dòng)周期較短。在沸騰流道受到擾動(dòng)后，由于單位工質(zhì)的焓增比率不同，流道內(nèi)的流體密度發(fā)生高低不同的周期性變化。當(dāng)這些周期性變化的兩相混合物密度波動(dòng)以波的速度傳播時(shí)，就稱為密度波型脈動(dòng)。密度波型脈動(dòng)是由流量、流體的密度和壓降形成持續(xù)的振蕩。 下面以沿管長(zhǎng)均勻加熱的、具有恒定熱流密度和沿程阻力的沸騰管來(lái)說(shuō)明密度波型脈動(dòng)發(fā)生的機(jī)理。工質(zhì)流體以恒定的速度流過(guò)均勻加熱的流道時(shí)，由于熱流密度恒定，蒸汽的產(chǎn)生量也為恒定。以一個(gè)工質(zhì)單元作為描述對(duì)象，單相 液體，由于密度大，體積流量小，流過(guò)流道的時(shí)間長(zhǎng)，蒸汽的產(chǎn)生量大。相反，兩相混合物或蒸汽在管道內(nèi)的停留時(shí)間短，吸熱量小，因而蒸發(fā)量小。當(dāng)液體到達(dá)出口時(shí)，密度低的兩相混合物或蒸汽在其后到達(dá)，流速變大，后面的流體吸熱量小，如此往復(fù)循環(huán)。因此，高密度和低密度的流體交替通過(guò)流道，流道的阻力也隨著流體密度和速度的變化而發(fā)生變化，從而對(duì)進(jìn)口流速發(fā)生了反饋，形成了周期變化的密度波型脈動(dòng)。這種型式的脈動(dòng)一般發(fā)生在沸騰流道的內(nèi)部特性曲線的正斜率區(qū)和入口液體和出口兩相流體密度相差很大的工況。試驗(yàn)表明，低頻率的密度波型脈動(dòng)周期是流 體流過(guò)流道時(shí)間的 12 倍。在一定的邊界條件下，可使加熱流道入口流量擾動(dòng)與出口壓力脈動(dòng)的相位差為 180o，固定的壓降反饋效應(yīng)導(dǎo)致自持振蕩。 微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性及壓降特性的研究 6 在并行流道中，系統(tǒng)的總流量和總壓差不變，在一定的條件下，可能發(fā)生自持的密度波型脈動(dòng)，兩管間的質(zhì)量流速、壓降做反相脈動(dòng)，能量在兩管或多管間進(jìn)行交換，因此也稱為管間脈動(dòng)。 壓力降型脈動(dòng) 壓力降型脈動(dòng) (靜態(tài)不穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定復(fù)合而成的，因而屬于系統(tǒng)的脈動(dòng)。脈動(dòng)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的流量、壓差和壓力都發(fā)生脈動(dòng)。與密度波型脈動(dòng)相比 教，其周期要大很多。壓力降型脈動(dòng)發(fā)生，有二個(gè)必須具備的條件： 1) 發(fā)生壓力降脈動(dòng)的系統(tǒng)特性曲線必須有負(fù)斜率區(qū)存在； 2) 在系統(tǒng)中，有提供脈動(dòng)彈性空間的可壓縮容積。 在加熱兩相流系統(tǒng)外部壓頭 變情況下，如果沒(méi)有上游可壓縮容積或脈沖箱，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在特性曲線的負(fù)斜率區(qū)時(shí)，流道流體受到擾動(dòng)時(shí)，就有可能發(fā)生流量漂移，出現(xiàn) 穩(wěn)定性。存在上游可壓縮容積或脈沖箱時(shí)，當(dāng)加熱流道的入口流量受到擾動(dòng)而減少，系統(tǒng)流道的蒸發(fā)率增高，流道沿程阻力增加，流量就會(huì)進(jìn)一步減少。由于外部壓頭 變，脈沖箱內(nèi)部分 流體進(jìn)入加熱流道，氣體容積減少，壓力升高，脈沖箱的壓力和加熱流道的流量呈三次曲線變化。與此同時(shí)，由于阻力增大，系統(tǒng)總流量也減少，但其減少量低于加熱流道流量的減少，且其響應(yīng)發(fā)生延遲，兩者之間無(wú)法平衡，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)相互作用。一旦低密度的兩相混合物流過(guò)流道，流動(dòng)阻力減少，在脈沖箱內(nèi)部壓力和外加驅(qū)動(dòng)壓頭聯(lián)合作用下，大量流體又進(jìn)入加熱流道，流量漂移到流量特性曲線的右邊單相段的正斜率區(qū)，流量增大，阻力升高，流量又沿該曲線下降，發(fā)生與上述相反的過(guò)程，出現(xiàn)壓力的振蕩現(xiàn)象。 發(fā)生壓力降型脈動(dòng)時(shí)，流道的流量沿著水動(dòng)力特性曲線變化 ，在曲線的正斜率段，達(dá)到密度波型脈動(dòng)條件時(shí)，也有可能伴隨有密度波型脈動(dòng)發(fā)生。 壓力降型脈動(dòng)發(fā)生時(shí)，試驗(yàn)段的流量、壓力和壓差呈同相脈動(dòng)。壓力降型脈動(dòng)的周期由與壓縮容積有關(guān)的時(shí)間常數(shù)決定。壓力降型脈動(dòng)周期一般都大于密度波脈動(dòng)周期。 第一章 緒 論 7 在平行管中發(fā)生壓力降脈動(dòng)時(shí)，管間的質(zhì)量流速、壓差都隨總流量和總壓差做同相脈動(dòng)。系統(tǒng)的總流量和總壓差也發(fā)生脈動(dòng)，因此也稱系統(tǒng)的總體脈動(dòng)。 熱力型脈動(dòng) 熱力型脈動(dòng) (般發(fā)生在密度波型脈動(dòng)之后或與密度波型脈動(dòng)疊加出現(xiàn)，其主要特征是流量脈動(dòng)的幅 值隨時(shí)間變化，管壁溫度發(fā)生大幅度波動(dòng)。發(fā)生熱力型脈動(dòng)時(shí)，流量脈動(dòng)周期與密度波相同，而壁溫脈動(dòng)的周期則大大超過(guò)流量脈動(dòng)周期。流量脈動(dòng)的幅值較小，而壁溫脈動(dòng)幅值很大。因此，熱力型脈動(dòng)是造成系統(tǒng)實(shí)際燒損的主要原因。 發(fā)生熱力型脈動(dòng)的機(jī)理是，在熱力系統(tǒng)中，隨著熱負(fù)荷增加，流道內(nèi)的干度不斷增大，由于密度波型脈動(dòng)的存在，流道內(nèi)在流量脈動(dòng)的波谷區(qū)域會(huì)出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，管壁的液體層被蒸汽層取代，傳熱條件惡化，管壁溫度上升；在流量脈動(dòng)的波峰，過(guò)渡沸騰又取代了膜態(tài)沸騰，傳熱條件改善，管壁得到了一定程度的冷卻，管壁溫度下降。對(duì)加熱 流道的某一確定點(diǎn)，膜態(tài)沸騰和過(guò)渡沸騰交替出現(xiàn)，管壁溫度隨之發(fā)生周期性的波動(dòng)。由于管壁材料的熱慣性，使管壁溫度變化有較長(zhǎng)時(shí)間的滯后，形成較大的壁溫脈動(dòng)周期和較大的脈動(dòng)幅值。 微尺度兩相流不穩(wěn)定性研究綜述 由前述所知，兩相流不穩(wěn)定性系統(tǒng)的參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化，因此具有典型的非線性特征。由于非線性問(wèn)題的復(fù)雜性和數(shù)學(xué)上的困難，在實(shí)際的研究工作中，為了使得研究問(wèn)題簡(jiǎn)化，往往忽略參數(shù)的瞬時(shí)特性，只研究時(shí)間平均的靜態(tài)特性。在當(dāng)時(shí)的兩相流設(shè)備中，參數(shù)的瞬時(shí)特征也不是主要問(wèn)題。到五十年代末六十年代初，設(shè)備逐步向高參數(shù)大容量發(fā) 展，特別是核動(dòng)力工業(yè)的發(fā)展，兩相流不穩(wěn)定的研究工作逐漸受到重視，得到了很大的發(fā)展。近三十年來(lái)，隨著兩相流各方面的研究的不斷深入，世界各國(guó)對(duì)兩相流不穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與理論研究工作，從不穩(wěn)定的分類到不穩(wěn)定性發(fā)生的機(jī)理；從靜態(tài)不穩(wěn)定到動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定；從經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式到描述不穩(wěn)定性特征的物理模型與守恒方程；從試驗(yàn)研究到數(shù)值分析和數(shù)值計(jì)算等一系列微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性及壓降特性的研究 8 問(wèn)題都進(jìn)行了不同程度的研究工作。 到目前為止，從研究進(jìn)程、深度和范圍來(lái)看，對(duì)兩相流不穩(wěn)定性的研究工作大致可以劃分為三個(gè)階段： 1) 在五十年代到七十年代時(shí)期，主要是對(duì)不穩(wěn)定 性現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理和脈動(dòng)特征進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，也進(jìn)行了部分以簡(jiǎn)單模型為基礎(chǔ)的理論研究。 2) 七十年代以來(lái)，新的不穩(wěn)定性現(xiàn)象不斷發(fā)現(xiàn)，研究結(jié)果表明，不穩(wěn)定性不僅發(fā)生在沸騰系統(tǒng)中，而且也發(fā)生在兩相凝結(jié)系統(tǒng)。不穩(wěn)定性的特點(diǎn)是多樣性、多變性、復(fù)雜性、組合性和不平衡性，呈現(xiàn)了復(fù)雜的非線性特性，這主要來(lái)自于輕水反應(yīng)堆的應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)投入后的瞬態(tài)和事故運(yùn)行工況。在這一時(shí)期，經(jīng)典兩相流不穩(wěn)定性研究比較充分，發(fā)展了各種預(yù)測(cè)穩(wěn)定域的模型和方法。 3) 八十年代以后，由于數(shù)學(xué)科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量新的理論模型和解決非線性問(wèn)題的方法，給不穩(wěn)定性的理論研究帶來(lái)了更加廣泛的前景。同時(shí)，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展使得計(jì)算數(shù)學(xué)得到了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，各國(guó)學(xué)者利用這個(gè)有力的計(jì)算工具研究發(fā)展了大量的模擬和預(yù)報(bào)不穩(wěn)定性發(fā)生的過(guò)程的軟件，如美國(guó)的 。同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)的研究也不斷深入，不僅僅局限于對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行模擬研究，而且逐漸采用了全尺寸設(shè)備型式在全參數(shù)工況條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究。這樣的研究數(shù)據(jù)覆蓋了實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)范圍，結(jié)果更加可靠，能夠?qū)こ虘?yīng)用進(jìn)行全面的指導(dǎo)。為發(fā)展新一代固有安全液冷反應(yīng)堆，還開(kāi)展了對(duì)系統(tǒng)所采用 的各種非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)瞬態(tài)特性和事故特性研究。例如：低溫核供熱堆、先進(jìn)反應(yīng)堆(液冷快堆 (一體化反應(yīng)堆以及直流蒸發(fā)器應(yīng)用等的動(dòng)態(tài)特性研究。 總之，進(jìn)行兩相流不穩(wěn)定性研究的目的就是對(duì)不穩(wěn)定性現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行研究和分析，找出影響不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)及其特征的影響，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果相比較，得到各類不穩(wěn)定性類型的發(fā)展規(guī)律和特點(diǎn)，能夠?qū)?shí)際的工程設(shè)備提供可靠性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和安全界限。 微尺度不穩(wěn)定性的研究在很大程度上借鑒了大尺度不穩(wěn)定性的研究成果。 已有文獻(xiàn)對(duì)微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降和不穩(wěn) 定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 7對(duì)六個(gè)并聯(lián)微通道中流型研究發(fā)現(xiàn)，由于氣泡擴(kuò)張推動(dòng)氣液界面同時(shí)向進(jìn)口和出口迅速移動(dòng)，第一章 緒 論 9 微通道中出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。 對(duì)微通道蒸發(fā)器的研究中也觀察到了大幅度波動(dòng)現(xiàn)象。 9以水為工質(zhì)在并聯(lián)微通道進(jìn)行了流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了高熱流密度下微通道中發(fā)生了倒流和再充滿現(xiàn)象。 Qu 10報(bào)道了壓力降型脈動(dòng)和并行通道不穩(wěn)定性兩種不穩(wěn)定現(xiàn)象。 11 圍的環(huán)形窄隙通道 內(nèi)進(jìn)行了流動(dòng)不穩(wěn)定性起始點(diǎn) 臨界熱流密度 實(shí)驗(yàn)研究，給出了 預(yù)測(cè)關(guān)系式。他們發(fā)現(xiàn)在低熱流密度下隨縫寬增大， 的發(fā)生提前。當(dāng)熱流密度一定時(shí)，不凝性氣體的存在使得在相對(duì)高的質(zhì)量流速下發(fā)生 加熱流密度、流體進(jìn)口溫度和降低系統(tǒng)壓力會(huì)導(dǎo)致 12研究了對(duì)當(dāng)量直徑為 899 m 單通道內(nèi)發(fā)生的兩類流動(dòng)行為：一種是穩(wěn)態(tài)的壓降小幅度波動(dòng)，無(wú)固定頻率；另一種是不穩(wěn)定的兩相流動(dòng)，壓降存在大幅度波動(dòng)，脈動(dòng)頻率在 間。穩(wěn)定與不穩(wěn)定取決于熱流密度和質(zhì)量流速兩個(gè)控制參數(shù)。 13對(duì)不同熱流密度下的兩相壓降進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象出現(xiàn)在水動(dòng)力曲線的第一區(qū)。其波動(dòng)幅度隨進(jìn)口雷諾數(shù)的減小而增高。 14對(duì)微通道熱沉進(jìn)行了靜態(tài)不穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)研究。以水為工質(zhì)，發(fā)現(xiàn) 生在工質(zhì)出口溫度為 93 96 的條件下，略低于實(shí)驗(yàn)段出口壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。一旦質(zhì)量流速低于 對(duì)應(yīng)值，觀察到三種脈動(dòng)現(xiàn)象：大幅度 /長(zhǎng)周期脈動(dòng)，小幅度 /短周期脈動(dòng)，以及這兩種脈動(dòng)的疊加。他們對(duì)脈動(dòng)現(xiàn)象和機(jī)理給出了解釋。 此外， 15 16也對(duì)窄縫通道中兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。最近， 7對(duì)微通道兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性的研究進(jìn)展做出了很好的綜述，其研究認(rèn)為，不同尺度通道中兩相流動(dòng)都會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定性，對(duì)于微通道而言，包括單通道和并聯(lián)通道，不穩(wěn)定性的機(jī)理是由于微通道中發(fā)生間歇性蒸干時(shí)蒸汽膨脹回流，在通道進(jìn)口段可壓縮性作用下，出現(xiàn)了周期性壓力波動(dòng)。波動(dòng)的出現(xiàn)是慣性力與蒸汽回流壓力相互作用的結(jié)果。 文獻(xiàn) 18微通道中兩相壓降進(jìn)行了詳細(xì)研究。 絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)通道中的壓降計(jì)算公式不 能用來(lái)預(yù)測(cè)矩形窄通道中的壓降。 8對(duì)狹縫尺寸為 窄通道中氣液上升流流型和壓降進(jìn)行了研究，認(rèn)為系式可以用來(lái)預(yù)測(cè)兩相摩擦倍增因子，但無(wú)法反應(yīng)質(zhì)量流速的影響。并提出兩相摩擦倍增因子主要取決于氣相表觀速度，受液相表觀速度和通道微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性及壓降特性的研究 10 寬度影響較小。 9對(duì)不同高寬比和傾斜角的通道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn) ,發(fā)現(xiàn)在低液相表觀速度和高傾斜角時(shí) 系式不能用來(lái)計(jì)算實(shí)驗(yàn)壓降，并提出新 的基于分相模型的計(jì)算式。 20同樣報(bào)道了質(zhì)量流速對(duì)兩相摩擦倍增因子的影響。 21和 22研究了通道尺寸的影響，并提出了以水利直徑函數(shù)形式表達(dá)的 C 值計(jì)算式。 Qu 10利用這一公式進(jìn)行的計(jì)算顯示平均相對(duì)誤差僅為 是現(xiàn)有公式中最好的。 3對(duì)不同高寬比矩形通道進(jìn)行了一系列氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，提出了同時(shí)考慮通道直徑和質(zhì)量流速影響的新的 C 值計(jì)算式， Qu 10和 24的研究都表明，該計(jì)算式具有較好的準(zhǔn)確性。此外， 25和 i26， 27對(duì)微 /小通道兩相流動(dòng)壓降進(jìn)行的研究亦表明現(xiàn)有的壓降計(jì)算式不能用來(lái)預(yù)測(cè)微 /小通道中兩相壓降。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文以甲醇為工質(zhì)，對(duì)低高寬比矩形微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性和壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究， 采用時(shí)域法，對(duì)發(fā)生兩相流不穩(wěn)定性的條件進(jìn)行理論分析，研究影響不穩(wěn)定性的各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，并判斷壓力降型脈動(dòng)發(fā)生的邊界 ，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)微通道內(nèi)流動(dòng)傳輸特性有重要意義。其次，對(duì)現(xiàn)有壓降預(yù) 測(cè)公式預(yù)測(cè)精度進(jìn)行了校驗(yàn)，且提出了能夠很好預(yù)測(cè)本實(shí)驗(yàn)中壓降數(shù)據(jù)的計(jì)算公式。 第二章 微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究 11 第二章 微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1 所示。以高壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)儲(chǔ)液罐中甲醇工質(zhì)在實(shí)驗(yàn)回路中流動(dòng)，工質(zhì)由儲(chǔ)液罐出口經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。位于微通道下方的電加熱棒在給定功率下對(duì)通道進(jìn)行加熱，工質(zhì)以單相或兩相狀態(tài)流出實(shí)驗(yàn)段后經(jīng)冷凝器冷卻，進(jìn)入收集容器收集稱量。加熱功率由數(shù)字功率計(jì)與變壓器來(lái)調(diào)節(jié)，精度可達(dá) 用電子秤精度為 表精度為 液罐底部布置了恒溫控制單元，控制工質(zhì)以不同 進(jìn)口溫度進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，控溫精度為 。通過(guò)精度為 壓傳感器監(jiān)測(cè)儲(chǔ)液罐底部壓力，可實(shí)現(xiàn)恒定壓力供液。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)核心部分是帶有長(zhǎng)寬高為 87低高寬比微通道的不銹鋼實(shí)驗(yàn)段。為實(shí)現(xiàn)對(duì)壁溫的測(cè)量，在槽道下方 處沿流動(dòng)方向均勻布置 8 根 K 型熱電偶(在 布置兩根 K 型熱電偶 (其精度為 。實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口溫度采用 K 型熱電偶測(cè)量，壓降由 壓傳感器測(cè)量。所有溫度、壓力、壓差信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中記錄 。整個(gè)實(shí)驗(yàn)段固定在一個(gè)可調(diào)角度的轉(zhuǎn)角平臺(tái)上，可使實(shí)驗(yàn)段在不同傾角下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)段處于水平時(shí)傾角為 0，垂直時(shí)為 90。實(shí)驗(yàn)段如圖 2 所示。 實(shí)驗(yàn)時(shí)保持供液壓力恒定，首先將儲(chǔ)液罐中工質(zhì)加熱到所需進(jìn)口溫度，調(diào)節(jié)氮?dú)馄繙p壓閥及高精度減壓閥使甲醇工質(zhì)以預(yù)定流速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，工質(zhì)在實(shí)驗(yàn)段微通道中受熱以不同相態(tài)流出出口。在實(shí)驗(yàn)段加熱控制部分，通過(guò)熱量估算首先將工質(zhì)加熱到 58 左右，然后，調(diào)節(jié)加熱功率每次增加 2w，使微通道出口工質(zhì)由單相液態(tài)變?yōu)閮上嘀敝吝_(dá)到過(guò)熱或蒸干。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍為：實(shí)驗(yàn)段傾角 0、30、 60、 90； 工質(zhì)進(jìn)口溫度 30 、 40 、 50 ；儲(chǔ)液罐供液壓力 應(yīng)實(shí)驗(yàn)段中未沸騰時(shí)單相壓降為 2 4熱流密度為 w量流速為 kg 微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性及壓降特性的研究 12 P P . . . . . . 1 0c o n d e n s e u t l e ti n l e tj o i n t p i p ep r e s s u r e r e g u l a t o r v a l v ef i l t e rd a t a a c q u i s i t i o n s y s t e e a t i n g i n s t a l l a t i o nn i t r o g e n c y l i n d e h e r m o s t a t i c c o n t r o l l e rc o l l e c t i n g t a n km o d u l e o f h e a t c o n t r o l a n d d i s p l a ye x p e r i m e n t a l s e g m e n tP o u 圖 m i c r o c h a n n e lt h e r m o c o u p l e j a c kh e a t i n g r o do u t l e ti n l e ts t o r a g e p o o ls t a i n l e s s s t e e lg l a s s c o v e r - p l a t es e a l g r o o v es t o r a g e p o o 微通道中流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究 13 根據(jù)上述各測(cè)量?jī)x器的精度及控制參數(shù)的范圍，溫度 T ，壓差 p ，質(zhì)量流速 G ，熱流密度 質(zhì)量含氣率 X 的測(cè)量誤差分 別為 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 本實(shí)驗(yàn)中，主要發(fā)現(xiàn)了兩類不穩(wěn)定性：流量漂移靜態(tài)不穩(wěn)定性和壓力降型脈動(dòng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)以甲醇做工質(zhì)，研究了供液壓力、熱流密度、進(jìn)口溫度和傾角四個(gè)參數(shù)對(duì)流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性主要在 40 和50 進(jìn)口溫度工況下，脈動(dòng)時(shí)處于流動(dòng)特性曲線負(fù)斜率區(qū)。動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性中也會(huì)疊加流量漂移靜態(tài)不穩(wěn)定性。而 30 進(jìn)口溫度的各工況主要發(fā)生流量漂移不穩(wěn)定性，流量漂移中也會(huì)疊加動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。 靜態(tài)不穩(wěn)定 流量漂移靜態(tài)不穩(wěn)定性主要在 30 進(jìn)口 溫度時(shí)發(fā)生，其發(fā)生與傾角無(wú)關(guān)，在水平和垂直實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中都觀察到了流量漂移不穩(wěn)定性。一旦發(fā)生流量漂移導(dǎo)致流量下降，在原加熱功率不變情況下，系統(tǒng)含氣率增加導(dǎo)致阻力增加，系統(tǒng)逐