直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的數(shù)值模擬與特性研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)以及對(duì)能源利用效率和環(huán)保要求日益嚴(yán)苛的大背景下，高效、可靠的能源轉(zhuǎn)換與利用設(shè)備成為能源領(lǐng)域研究的關(guān)鍵焦點(diǎn)。直流式蒸汽發(fā)生器作為一種在能源領(lǐng)域，尤其是核能、火電以及工業(yè)余熱回收等諸多重要領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的核心設(shè)備，發(fā)揮著舉足輕重的作用。它能夠?qū)崮芨咝У剞D(zhuǎn)化為蒸汽，為后續(xù)的動(dòng)力生產(chǎn)、工業(yè)加工等過(guò)程提供必要的能源支持，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)乎整個(gè)能源系統(tǒng)的運(yùn)行效率、安全性與經(jīng)濟(jì)性。在核能領(lǐng)域，如鈉冷快堆、鉛鉍快堆等先進(jìn)反應(yīng)堆系統(tǒng)中，直流式蒸汽發(fā)生器作為一、二回路的關(guān)鍵樞紐，承擔(dān)著將反應(yīng)堆裂變產(chǎn)生的巨大能量傳遞給二回路給水，進(jìn)而產(chǎn)生推動(dòng)汽輪機(jī)做功所需蒸汽的重任。在這些系統(tǒng)里，蒸汽發(fā)生器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)核動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性有著決定性的影響。一旦蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)故障，不僅可能導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重的核安全事故，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康構(gòu)成潛在威脅。例如，在一些早期的核電站運(yùn)行中，就曾因蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂等問(wèn)題，導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注和對(duì)核能安全的深刻反思。在火電行業(yè)，直流式蒸汽發(fā)生器也是鍋爐系統(tǒng)的重要組成部分。它能夠?qū)⑷剂先紵尫诺臒崮軅鬟f給給水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。其性能的好壞直接影響著火力發(fā)電的效率和成本。提高蒸汽發(fā)生器的換熱效率，可以使更多的熱能轉(zhuǎn)化為電能，降低燃料消耗，減少污染物排放，對(duì)于實(shí)現(xiàn)火電行業(yè)的節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，一些先進(jìn)的火電機(jī)組的發(fā)電效率已經(jīng)得到了顯著提高，每發(fā)一度電的煤耗降低了數(shù)十克，有效減少了煤炭資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染。在工業(yè)余熱回收領(lǐng)域，直流式蒸汽發(fā)生器可以將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量余熱進(jìn)行回收利用，轉(zhuǎn)化為蒸汽用于生產(chǎn)工藝或發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，提高能源利用率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。例如，在鋼鐵、化工、建材等行業(yè)，許多生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的高溫廢氣、廢水等余熱資源，如果不加以回收利用，不僅會(huì)造成能源的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生熱污染。通過(guò)安裝直流式蒸汽發(fā)生器，這些余熱可以被有效地回收利用，產(chǎn)生的蒸汽可以用于加熱、干燥、蒸餾等工業(yè)過(guò)程，或者通過(guò)汽輪機(jī)發(fā)電，為企業(yè)提供額外的能源供應(yīng)。全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱現(xiàn)象在直流式蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行過(guò)程中普遍存在，并且極其復(fù)雜。全流型流動(dòng)沸騰涵蓋了從過(guò)冷水到飽和水再到過(guò)熱蒸汽的整個(gè)相變過(guò)程，涉及到復(fù)雜的氣液兩相流特性，如汽泡的生成、成長(zhǎng)、脫離以及聚合與破碎等動(dòng)態(tài)行為，這些行為對(duì)蒸汽發(fā)生器的傳熱性能有著至關(guān)重要的影響。同時(shí)，蒸汽發(fā)生器內(nèi)部還存在著一、二次側(cè)流體與傳熱管壁之間的耦合換熱過(guò)程，熱量在不同介質(zhì)之間傳遞，伴隨著溫度、壓力和流速等參數(shù)的變化，進(jìn)一步增加了研究的難度。對(duì)直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱進(jìn)行深入研究，具有多方面的重要意義。從能源利用效率的角度來(lái)看，準(zhǔn)確掌握全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的機(jī)理和規(guī)律，可以為蒸汽發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如合理選擇傳熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化流體的流動(dòng)路徑等，可以提高蒸汽發(fā)生器的換熱效率，使更多的熱能被有效地利用，減少能源的浪費(fèi)，從而提升整個(gè)能源系統(tǒng)的能源利用效率。例如，一些研究通過(guò)改進(jìn)傳熱管的表面結(jié)構(gòu)，增加了汽液兩相的接觸面積，強(qiáng)化了傳熱效果，使蒸汽發(fā)生器的換熱效率提高了10%-20%。從設(shè)備安全運(yùn)行的角度出發(fā)，深入了解全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象和參數(shù)變化，有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)蒸汽發(fā)生器在不同工況下的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行預(yù)防和控制。例如，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在某些特定工況下，蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，導(dǎo)致管壁溫度急劇升高，從而引發(fā)傳熱管的損壞。通過(guò)對(duì)全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的研究，可以建立準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型，提前預(yù)警干涸現(xiàn)象的發(fā)生，為操作人員提供及時(shí)的調(diào)整依據(jù)，確保蒸汽發(fā)生器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，對(duì)蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的研究，還可以為其故障診斷和維修提供技術(shù)支持，縮短設(shè)備的維修時(shí)間，提高設(shè)備的可用性。綜上所述，直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的研究對(duì)于能源領(lǐng)域的發(fā)展具有不可忽視的重要意義，它不僅有助于提高能源利用效率，推動(dòng)能源的可持續(xù)發(fā)展，還能保障能源設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供可靠的能源保障。因此，開(kāi)展這方面的研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，是當(dāng)前能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，取得了一系列有價(jià)值的成果，同時(shí)也存在一些有待進(jìn)一步完善的地方。國(guó)外在該領(lǐng)域的研究起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和研究成果。在理論研究方面，一些經(jīng)典的氣液兩相流模型和傳熱理論被廣泛應(yīng)用于直流式蒸汽發(fā)生器的研究中。例如，在氣液兩相流研究中，漂移流模型被用于描述汽液兩相在流動(dòng)過(guò)程中的速度差異和相分布情況，為分析全流型流動(dòng)沸騰過(guò)程中的氣液兩相行為提供了理論基礎(chǔ)。在傳熱方面，Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式等常用于計(jì)算單相流體的對(duì)流換熱系數(shù)，而對(duì)于沸騰換熱，Rohsenow關(guān)聯(lián)式等被用于預(yù)測(cè)沸騰傳熱系數(shù)，這些關(guān)聯(lián)式在一定程度上能夠描述蒸汽發(fā)生器內(nèi)的傳熱現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國(guó)外建立了多個(gè)大型的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)直流式蒸汽發(fā)生器的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱特性進(jìn)行了深入研究。例如，美國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)搭建了模擬鈉冷快堆直流式蒸汽發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量蒸汽發(fā)生器內(nèi)不同位置的溫度、壓力、流速以及汽液兩相流的流型等參數(shù)，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證和改進(jìn)理論模型提供了重要依據(jù)，同時(shí)也揭示了一些直流式蒸汽發(fā)生器運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵現(xiàn)象和規(guī)律。比如，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)的流型會(huì)隨著熱負(fù)荷、質(zhì)量流量等參數(shù)的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變，不同的流型對(duì)傳熱性能有著顯著的影響。在數(shù)值模擬方面，國(guó)外學(xué)者利用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSCFX、FLUENT等，對(duì)直流式蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)建立詳細(xì)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，考慮各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如汽泡的生成、成長(zhǎng)、脫離、聚合與破碎，以及一、二次側(cè)流體與傳熱管壁之間的耦合換熱等，對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。這些模擬研究能夠深入分析蒸汽發(fā)生器內(nèi)的復(fù)雜物理過(guò)程，預(yù)測(cè)蒸汽發(fā)生器的性能參數(shù)，為蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考。例如，通過(guò)數(shù)值模擬可以研究不同傳熱管結(jié)構(gòu)對(duì)蒸汽發(fā)生器換熱性能的影響，為傳熱管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)在直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱研究方面近年來(lái)也取得了顯著的進(jìn)展。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者在借鑒國(guó)外先進(jìn)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際需求和研究特點(diǎn)，對(duì)氣液兩相流模型和傳熱理論進(jìn)行了深入研究和改進(jìn)。例如，一些學(xué)者針對(duì)我國(guó)的鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器，提出了改進(jìn)的漂移流模型，考慮了更多的影響因素，使其能夠更準(zhǔn)確地描述蒸汽發(fā)生器內(nèi)的氣液兩相流特性。在傳熱理論方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，建立了適用于我國(guó)蒸汽發(fā)生器工況的傳熱關(guān)聯(lián)式，提高了傳熱計(jì)算的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和高校也建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展了直流式蒸汽發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)研究。例如，中國(guó)科學(xué)院的一些研究所搭建了小型的直流式蒸汽發(fā)生器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流動(dòng)沸騰和耦合換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得了不同工況下蒸汽發(fā)生器的熱工水力參數(shù)，如溫度、壓力、流量、含汽率等，為理論研究和數(shù)值模擬提供了實(shí)驗(yàn)支持。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究還注重對(duì)蒸汽發(fā)生器在特殊工況下的性能研究，如失水事故工況下蒸汽發(fā)生器的響應(yīng)特性等，為保障蒸汽發(fā)生器的安全運(yùn)行提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用自主研發(fā)的數(shù)值模擬軟件以及商業(yè)化的CFD軟件，對(duì)直流式蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。通過(guò)建立合理的物理模型和數(shù)學(xué)模型，考慮蒸汽發(fā)生器內(nèi)的各種復(fù)雜物理現(xiàn)象，對(duì)蒸汽發(fā)生器的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。例如，哈爾濱工程大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的熱工水力分析軟件，對(duì)鈉冷快堆直流式蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流場(chǎng)分布、溫度分布以及傳熱性能等，取得了一系列有價(jià)值的研究成果。同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者還注重將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步完善數(shù)值模擬模型，提高模擬精度。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱研究方面取得了一定的成果，但仍然存在一些不足之處。首先，現(xiàn)有的理論模型和關(guān)聯(lián)式在描述蒸汽發(fā)生器內(nèi)復(fù)雜的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱現(xiàn)象時(shí)，還存在一定的局限性。例如，對(duì)于一些特殊工況下的氣液兩相流行為和傳熱特性，現(xiàn)有的模型和關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)精度還有待提高。其次，實(shí)驗(yàn)研究雖然能夠獲得蒸汽發(fā)生器內(nèi)的一些關(guān)鍵參數(shù)和現(xiàn)象，但實(shí)驗(yàn)條件往往受到限制，難以全面模擬實(shí)際運(yùn)行中的各種復(fù)雜工況。而且實(shí)驗(yàn)研究成本較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取相對(duì)困難，這也限制了對(duì)蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱現(xiàn)象的深入研究。再者，數(shù)值模擬雖然能夠深入分析蒸汽發(fā)生器內(nèi)的復(fù)雜物理過(guò)程，但數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴(lài)于物理模型和數(shù)學(xué)模型的合理性以及計(jì)算參數(shù)的選取。目前，在數(shù)值模擬中對(duì)于一些復(fù)雜物理現(xiàn)象的處理還存在一定的不確定性，如汽泡的聚合與破碎過(guò)程的模擬，不同的模擬方法和參數(shù)設(shè)置可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果存在較大差異。此外，對(duì)于蒸汽發(fā)生器在多物理場(chǎng)耦合作用下的性能研究還相對(duì)較少，如考慮熱應(yīng)力、振動(dòng)等因素對(duì)蒸汽發(fā)生器性能的影響等，這也是未來(lái)需要進(jìn)一步研究的方向。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文旨在深入研究直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱現(xiàn)象，通過(guò)建立物理模型、進(jìn)行數(shù)值模擬以及對(duì)模擬結(jié)果的分析，揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制和規(guī)律，為直流式蒸汽發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。具體研究?jī)?nèi)容如下：建立直流式蒸汽發(fā)生器物理模型：基于實(shí)際直流式蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)用相似?；韺?duì)其進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，構(gòu)建適用于數(shù)值模擬的物理模型。詳細(xì)考慮蒸汽發(fā)生器的一、二次側(cè)流體流動(dòng)區(qū)域、傳熱管結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的邊界條件等要素。例如，對(duì)于鈉冷快堆直流式蒸汽發(fā)生器，準(zhǔn)確模擬液態(tài)金屬鈉在一次側(cè)的流動(dòng)以及給水在二次側(cè)的全流型流動(dòng)沸騰過(guò)程。同時(shí)，依據(jù)實(shí)際尺寸和運(yùn)行工況，精確設(shè)定模型的幾何參數(shù)，如傳熱管的直徑、壁厚、長(zhǎng)度以及管束的排列方式等，確保模型能夠真實(shí)反映蒸汽發(fā)生器的實(shí)際運(yùn)行情況。在簡(jiǎn)化過(guò)程中，充分權(quán)衡計(jì)算精度和計(jì)算資源的需求，在保證模型準(zhǔn)確性的前提下，盡可能降低模型的復(fù)雜度，提高計(jì)算效率。數(shù)值模擬方法的選擇與實(shí)現(xiàn)：采用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的CFD軟件，如ANSYSCFX、FLUENT等，對(duì)直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。在模擬過(guò)程中，選擇合適的氣液兩相流模型，如兩流體模型、MUSIG模型等，以準(zhǔn)確描述汽液兩相的流動(dòng)特性，包括汽泡的生成、成長(zhǎng)、脫離、聚合與破碎等動(dòng)態(tài)行為。同時(shí)，結(jié)合傳熱模型，考慮一、二次側(cè)流體與傳熱管壁之間的耦合換熱過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)復(fù)雜物理過(guò)程的全面模擬。例如，利用兩流體模型分別對(duì)液相和汽相的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程進(jìn)行求解，通過(guò)相間傳質(zhì)、傳熱和動(dòng)量傳遞模型來(lái)描述兩相之間的相互作用。對(duì)于傳熱模型，考慮對(duì)流傳熱、沸騰傳熱以及熱傳導(dǎo)等多種傳熱方式，準(zhǔn)確計(jì)算熱量在不同介質(zhì)之間的傳遞。在模擬過(guò)程中，合理設(shè)置計(jì)算參數(shù)，如時(shí)間步長(zhǎng)、迭代次數(shù)等，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。模擬結(jié)果分析與討論：對(duì)數(shù)值模擬得到的結(jié)果進(jìn)行深入分析，研究直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的特性。分析不同工況下，如不同熱負(fù)荷、質(zhì)量流量、壓力等條件下，蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流場(chǎng)分布、溫度分布、汽液兩相流型以及傳熱性能等參數(shù)的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)比分析，揭示各參數(shù)之間的相互關(guān)系和影響機(jī)制，深入探討全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的物理本質(zhì)。例如，研究熱負(fù)荷的變化對(duì)汽泡生成頻率和尺寸分布的影響，以及質(zhì)量流量的改變對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱效率的影響等。同時(shí)，將模擬結(jié)果與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。若模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差，分析偏差產(chǎn)生的原因，對(duì)模型和模擬方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。此外，還可以通過(guò)參數(shù)敏感性分析，確定對(duì)蒸汽發(fā)生器性能影響較大的關(guān)鍵參數(shù)，為蒸汽發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型改進(jìn)：為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建直流式蒸汽發(fā)生器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量蒸汽發(fā)生器內(nèi)不同位置的溫度、壓力、流速以及汽液兩相流的流型等參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)值模擬模型進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在某些工況下蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流型與模擬結(jié)果存在差異，可以通過(guò)調(diào)整氣液兩相流模型中的參數(shù)或改進(jìn)流型判別準(zhǔn)則，使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際情況。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究還可以為數(shù)值模擬提供新的思路和方法，促進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展和完善。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。采用高精度的測(cè)量?jī)x器，對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。在研究方法上，本文綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。理論分析為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)，通過(guò)對(duì)相關(guān)理論和模型的研究，深入理解直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的物理機(jī)制和基本規(guī)律。數(shù)值模擬作為主要的研究手段，能夠深入分析蒸汽發(fā)生器內(nèi)復(fù)雜的物理過(guò)程，預(yù)測(cè)其性能參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)研究提供參考和指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)研究則是驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的重要手段，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)值模擬模型進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，確保研究結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。在研究過(guò)程中，注重各研究方法之間的相互配合和補(bǔ)充，形成一個(gè)有機(jī)的整體，以提高研究的效率和質(zhì)量。二、直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱原理2.1直流式蒸汽發(fā)生器工作原理2.1.1基本結(jié)構(gòu)與組成直流式蒸汽發(fā)生器主要由受熱面、管道、集箱等部件構(gòu)成，各部件相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)蒸汽的產(chǎn)生。受熱面是蒸汽發(fā)生器的核心部件，通常由大量的傳熱管組成，其作用是將熱量從熱源傳遞給工質(zhì)。傳熱管的材料一般選用導(dǎo)熱性能良好、耐高溫、耐腐蝕的金屬材料，如不銹鋼、鎳基合金等。以鈉冷快堆直流式蒸汽發(fā)生器為例，其傳熱管多采用因科鎳合金，這種合金具有出色的高溫強(qiáng)度、抗腐蝕性能和良好的導(dǎo)熱性，能夠在高溫、高壓以及強(qiáng)腐蝕性的液態(tài)金屬鈉環(huán)境中穩(wěn)定工作，確保熱量的高效傳遞。管道是工質(zhì)流動(dòng)的通道，連接著各個(gè)部件，保證工質(zhì)能夠順利地在蒸汽發(fā)生器內(nèi)流動(dòng)。根據(jù)工質(zhì)的流動(dòng)方向和功能，管道可分為入口管道、出口管道、上升管道和下降管道等。這些管道的設(shè)計(jì)和布置需要考慮工質(zhì)的流動(dòng)阻力、熱膨脹以及振動(dòng)等因素，以確保蒸汽發(fā)生器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。例如，在設(shè)計(jì)管道時(shí)，需要合理選擇管道的直徑和壁厚，以減小工質(zhì)的流動(dòng)阻力，同時(shí)要考慮管道的熱膨脹補(bǔ)償措施，防止因熱脹冷縮導(dǎo)致管道損壞。集箱則起到收集和分配工質(zhì)的作用，它將來(lái)自不同管道的工質(zhì)匯集起來(lái)，然后再均勻地分配到各個(gè)受熱面或其他部件中。集箱通常具有較大的容積，以保證工質(zhì)的穩(wěn)定流動(dòng)和均勻分配。在一些大型直流式蒸汽發(fā)生器中，集箱還配備有各種測(cè)量?jī)x表和控制裝置，用于監(jiān)測(cè)和控制工質(zhì)的壓力、溫度、流量等參數(shù)。2.1.2工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程在直流式蒸汽發(fā)生器中，工質(zhì)從入口進(jìn)入后，一次通過(guò)受熱面，經(jīng)歷預(yù)熱、蒸發(fā)和過(guò)熱等階段，最終以過(guò)熱蒸汽的形式從出口流出。以常見(jiàn)的火電廠直流式蒸汽發(fā)生器為例，給水首先通過(guò)入口管道進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的省煤器。省煤器是利用鍋爐尾部煙氣余熱來(lái)加熱給水的受熱面，在這里，給水被煙氣初步加熱，溫度升高，但仍處于液態(tài)，這一過(guò)程為預(yù)熱階段。經(jīng)過(guò)預(yù)熱的給水進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器是蒸汽發(fā)生器的主要蒸發(fā)受熱面。在蒸發(fā)器中，給水在吸收熱量后開(kāi)始沸騰蒸發(fā)，逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠簝上嗷旌衔?，這一過(guò)程為蒸發(fā)階段。隨著工質(zhì)的不斷流動(dòng)和受熱，汽液兩相混合物中的蒸汽含量逐漸增加，最終在蒸發(fā)器出口處，工質(zhì)基本轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼羝?。飽和蒸汽離開(kāi)蒸發(fā)器后，進(jìn)入過(guò)熱器。過(guò)熱器是利用高溫?zé)煔膺M(jìn)一步加熱蒸汽的受熱面，在這里，飽和蒸汽繼續(xù)吸收熱量，溫度升高，成為具有一定過(guò)熱度的過(guò)熱蒸汽，這一過(guò)程為過(guò)熱階段。過(guò)熱蒸汽從蒸汽發(fā)生器的出口管道流出，被輸送到汽輪機(jī)等設(shè)備中，用于做功發(fā)電或其他工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。在整個(gè)工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中，工質(zhì)的壓力和溫度不斷變化。由于工質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng)存在阻力，壓力會(huì)逐漸降低；而隨著工質(zhì)吸收熱量，溫度則逐漸升高。同時(shí)，工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，從單相液體流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠簝上嗔鲃?dòng)，最后變?yōu)閱蜗嗾羝鲃?dòng)。這些參數(shù)和流動(dòng)狀態(tài)的變化對(duì)蒸汽發(fā)生器的傳熱性能和安全運(yùn)行有著重要影響，因此在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中需要密切關(guān)注和控制。2.2全流型流動(dòng)沸騰原理2.2.1沸騰現(xiàn)象與機(jī)制沸騰是一種在液體表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生的劇烈汽化現(xiàn)象，它是液體在一定壓力下達(dá)到飽和溫度時(shí)，液體分子獲得足夠的能量，克服液體分子間的引力，從液相轉(zhuǎn)變?yōu)槠嗟倪^(guò)程。在全流型流動(dòng)沸騰中，沸騰現(xiàn)象更為復(fù)雜，涉及到汽泡的產(chǎn)生、生長(zhǎng)和脫離等多個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。汽泡的產(chǎn)生是全流型流動(dòng)沸騰的起始階段。當(dāng)液體被加熱時(shí)，緊貼加熱壁面的液體溫度首先升高，形成溫度梯度。當(dāng)壁面溫度高于液體的飽和溫度時(shí)，壁面附近的液體分子具有足夠的能量，開(kāi)始聚集形成微小的汽核。這些汽核通常在加熱壁面的微觀凹穴、裂縫或雜質(zhì)等位置產(chǎn)生，因?yàn)檫@些位置能夠提供汽核形成所需的能量和空間，降低汽核形成的難度。例如，在光滑的金屬壁面上，汽核往往在表面的微觀缺陷處產(chǎn)生；而在粗糙的壁面上，由于凹穴和裂縫較多，汽核的產(chǎn)生位置更為廣泛。根據(jù)經(jīng)典的成核理論，汽核的形成需要克服一定的表面張力，當(dāng)液體的過(guò)熱度達(dá)到一定程度時(shí)，汽核才能穩(wěn)定存在并開(kāi)始生長(zhǎng)。隨著熱量的不斷輸入，汽泡開(kāi)始生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，汽泡內(nèi)的蒸汽壓力高于周?chē)后w的壓力，這種壓力差使得汽泡不斷膨脹。同時(shí)，熱量從加熱壁面通過(guò)液體傳遞到汽泡表面，使液體不斷汽化進(jìn)入汽泡，進(jìn)一步促進(jìn)汽泡的生長(zhǎng)。汽泡的生長(zhǎng)速度受到多種因素的影響，包括液體的過(guò)熱度、熱流密度、液體的物性參數(shù)（如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、表面張力等）以及汽泡與加熱壁面之間的相互作用等。當(dāng)液體的過(guò)熱度較高時(shí)，汽泡的生長(zhǎng)速度會(huì)加快；熱流密度越大，單位時(shí)間內(nèi)傳遞給汽泡的熱量越多，汽泡的生長(zhǎng)也會(huì)越快。此外，液體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容影響熱量傳遞的速度，表面張力則影響汽泡的形態(tài)和生長(zhǎng)阻力。當(dāng)汽泡生長(zhǎng)到一定尺寸時(shí)，會(huì)受到多種力的作用而脫離加熱壁面。這些力主要包括浮力、粘性力和表面張力等。浮力是由于汽泡與周?chē)后w的密度差異產(chǎn)生的，它使汽泡有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；粘性力則阻礙汽泡的運(yùn)動(dòng)，它與液體的粘度和汽泡的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)；表面張力作用在汽泡與液體的界面上，它試圖使汽泡保持球形，對(duì)汽泡的脫離起到一定的阻礙作用。當(dāng)浮力和粘性力的合力大于表面張力時(shí)，汽泡就會(huì)脫離加熱壁面，進(jìn)入液體主流中。汽泡脫離壁面的頻率和尺寸對(duì)全流型流動(dòng)沸騰的傳熱性能有著重要影響。如果汽泡脫離壁面的頻率較高，能夠及時(shí)帶走壁面的熱量，增強(qiáng)傳熱效果；而汽泡尺寸較大時(shí)，其攜帶的熱量較多，但脫離壁面的難度也會(huì)增加。2.2.2影響因素分析全流型流動(dòng)沸騰受到多種因素的綜合影響，這些因素相互作用，共同決定了沸騰過(guò)程的特性和傳熱性能。熱流密度是影響全流型流動(dòng)沸騰的重要因素之一。熱流密度表示單位時(shí)間內(nèi)單位面積上傳遞的熱量，它直接決定了液體獲得的能量大小。當(dāng)熱流密度較低時(shí)，液體主要通過(guò)自然對(duì)流和導(dǎo)熱的方式吸收熱量，沸騰現(xiàn)象不明顯，傳熱方式以單相液體強(qiáng)迫對(duì)流換熱為主。隨著熱流密度的逐漸增加，壁面附近的液體溫度升高，過(guò)熱度增大，汽泡開(kāi)始大量產(chǎn)生，進(jìn)入泡核沸騰階段。在泡核沸騰階段，熱流密度的增加會(huì)使汽泡的生成頻率和尺寸增大，對(duì)邊界層的擾動(dòng)增強(qiáng)，傳熱系數(shù)顯著提高。當(dāng)熱流密度繼續(xù)增大到一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沸騰臨界現(xiàn)象，如膜態(tài)沸騰或干涸等。在膜態(tài)沸騰時(shí)，加熱壁面被一層連續(xù)的汽膜所覆蓋，由于汽膜的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于液體，熱阻增大，導(dǎo)致傳熱系數(shù)急劇下降，壁面溫度迅速升高；干涸現(xiàn)象則是指在環(huán)狀流階段，由于液膜的蒸發(fā)和撕裂，液膜逐漸變薄直至消失，加熱壁面直接與蒸汽接觸，傳熱系數(shù)也會(huì)大幅降低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要合理控制熱流密度，避免出現(xiàn)沸騰臨界現(xiàn)象，以保證蒸汽發(fā)生器的安全穩(wěn)定運(yùn)行和高效傳熱。質(zhì)量流速對(duì)全流型流動(dòng)沸騰也有著重要影響。質(zhì)量流速是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位流通截面積的流體質(zhì)量，它反映了流體的流動(dòng)速度和流量大小。較高的質(zhì)量流速意味著流體在單位時(shí)間內(nèi)能夠帶走更多的熱量，從而增強(qiáng)對(duì)流換熱效果。在全流型流動(dòng)沸騰中，質(zhì)量流速的增加會(huì)使汽泡在液體中的停留時(shí)間縮短，汽泡更容易被流體帶走，從而抑制了汽泡的聚合和長(zhǎng)大，使流型更加穩(wěn)定。同時(shí)，質(zhì)量流速的增加還會(huì)使液體的湍流程度增強(qiáng)，邊界層變薄，減小了傳熱熱阻，提高了傳熱系數(shù)。例如，在一些實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量流速增加一倍時(shí)，傳熱系數(shù)可能會(huì)提高20%-50%。然而，質(zhì)量流速過(guò)高也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如增加流體的流動(dòng)阻力，導(dǎo)致泵的能耗增加；同時(shí)，過(guò)高的質(zhì)量流速可能會(huì)使汽泡受到更大的剪切力，導(dǎo)致汽泡破碎，影響沸騰傳熱的穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行直流式蒸汽發(fā)生器時(shí)，需要根據(jù)具體的工況要求，合理選擇質(zhì)量流速，以達(dá)到最佳的傳熱效果和經(jīng)濟(jì)性。壓力是影響全流型流動(dòng)沸騰的另一個(gè)關(guān)鍵因素。壓力的變化會(huì)直接影響液體的飽和溫度和物性參數(shù)，從而對(duì)沸騰過(guò)程產(chǎn)生重要影響。隨著壓力的升高，液體的飽和溫度也隨之升高，這意味著在相同的加熱條件下，液體需要吸收更多的熱量才能達(dá)到飽和狀態(tài)并發(fā)生沸騰。同時(shí)，壓力的升高會(huì)使液體的密度增大，表面張力減小，汽泡的生長(zhǎng)和脫離特性也會(huì)發(fā)生改變。在高壓下，汽泡的尺寸通常會(huì)變小，因?yàn)楸砻鎻埩Φ臏p小使得汽泡更容易受到周?chē)后w的約束；同時(shí)，由于液體密度的增大，浮力相對(duì)減小，汽泡脫離壁面的難度會(huì)增加。此外，壓力的變化還會(huì)影響沸騰傳熱系數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，在較低壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的升高，沸騰傳熱系數(shù)會(huì)增大，這是因?yàn)閴毫ι呤沟靡后w的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容增大，同時(shí)汽泡的擾動(dòng)作用也有所增強(qiáng)；但當(dāng)壓力升高到一定程度后，沸騰傳熱系數(shù)會(huì)逐漸減小，這是由于汽泡尺寸的減小和脫離難度的增加，導(dǎo)致傳熱效果變差。因此，在研究和應(yīng)用全流型流動(dòng)沸騰時(shí)，需要充分考慮壓力因素對(duì)沸騰過(guò)程和傳熱性能的影響，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的壓力控制。2.3耦合換熱原理2.3.1一二次側(cè)換熱過(guò)程在直流式蒸汽發(fā)生器中，一二次側(cè)流體之間通過(guò)傳熱管壁進(jìn)行熱量傳遞，這一過(guò)程涉及到復(fù)雜的對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。以鈉冷快堆直流式蒸汽發(fā)生器為例，一次側(cè)的液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，攜帶大量的熱量，其溫度通常在幾百攝氏度以上。液態(tài)金屬鈉在一次側(cè)管道內(nèi)高速流動(dòng)，通過(guò)對(duì)流傳熱的方式將熱量傳遞給傳熱管壁。對(duì)流傳熱是指流體與固體表面之間由于溫度差而引起的熱量傳遞過(guò)程，其傳熱速率與流體的流速、溫度、物性以及固體表面的粗糙度等因素密切相關(guān)。在鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器中，液態(tài)金屬鈉的流速較高，能夠有效地增強(qiáng)對(duì)流傳熱效果，提高熱量傳遞速率。熱量通過(guò)傳熱管壁傳遞到二次側(cè)，二次側(cè)的給水在吸收熱量后發(fā)生全流型流動(dòng)沸騰，逐漸轉(zhuǎn)化為蒸汽。傳熱管壁的導(dǎo)熱性能對(duì)熱量傳遞起著關(guān)鍵作用，一般選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，如不銹鋼、鎳基合金等，以減小熱阻，提高傳熱效率。在傳熱過(guò)程中，熱量從高溫的一次側(cè)流體通過(guò)傳熱管壁傳遞到低溫的二次側(cè)流體，遵循傅里葉定律，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量與溫度梯度成正比，與材料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。在二次側(cè)，給水首先經(jīng)歷預(yù)熱階段，此時(shí)主要通過(guò)單相液體強(qiáng)迫對(duì)流換熱吸收熱量，溫度逐漸升高。隨著熱量的不斷輸入，進(jìn)入泡核沸騰階段，汽泡開(kāi)始在加熱壁面產(chǎn)生，對(duì)邊界層產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，大大增強(qiáng)了傳熱效果。在泡核沸騰階段，汽泡的生成、生長(zhǎng)和脫離過(guò)程不斷進(jìn)行，熱量主要通過(guò)汽泡的運(yùn)動(dòng)和液體的汽化潛熱傳遞。隨著汽泡的增多和長(zhǎng)大，流型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流，此時(shí)液體形成環(huán)狀液膜沿壁面流動(dòng)，蒸汽在中心區(qū)域流動(dòng)，熱量通過(guò)液膜的蒸發(fā)傳遞。當(dāng)液膜逐漸變薄直至干涸時(shí)，進(jìn)入缺液區(qū)，傳熱系數(shù)會(huì)大幅降低，壁面溫度迅速升高。最后，蒸汽在過(guò)熱段繼續(xù)吸收熱量，成為過(guò)熱蒸汽。在整個(gè)一二次側(cè)換熱過(guò)程中，存在著多種傳熱方式的相互作用，且一二次側(cè)流體的溫度、壓力、流速等參數(shù)不斷變化，使得耦合換熱過(guò)程極為復(fù)雜。例如，在不同的工況下，一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的流量和溫度變化會(huì)直接影響到二次側(cè)給水的加熱速率和沸騰狀態(tài)；而二次側(cè)的流動(dòng)沸騰現(xiàn)象也會(huì)反過(guò)來(lái)影響傳熱管壁的溫度分布和一次側(cè)的傳熱效果。因此，深入研究一二次側(cè)換熱過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象和參數(shù)變化，對(duì)于理解直流式蒸汽發(fā)生器的耦合換熱特性至關(guān)重要。2.3.2換熱模型與理論基礎(chǔ)描述直流式蒸汽發(fā)生器耦合換熱的數(shù)學(xué)模型主要包括傳熱系數(shù)計(jì)算模型、能量守恒方程等。傳熱系數(shù)計(jì)算模型用于計(jì)算一二次側(cè)流體與傳熱管壁之間的傳熱系數(shù)，它是評(píng)估換熱性能的關(guān)鍵參數(shù)。在單相流體對(duì)流換熱中，常用的傳熱系數(shù)計(jì)算模型有Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式：Nu=0.023Re^{0.8}Pr^{n}式中，Nu為努塞爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，n根據(jù)流體的加熱或冷卻情況取值，對(duì)于液體被加熱，n=0.4；對(duì)于液體被冷卻，n=0.3。該關(guān)聯(lián)式適用于強(qiáng)制對(duì)流湍流工況下的單相流體換熱計(jì)算，通過(guò)計(jì)算努塞爾數(shù)，可以進(jìn)一步得到傳熱系數(shù)h：h=\frac{Nu\cdotk}wy6aoaw其中，k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，d為特征尺寸，如傳熱管的內(nèi)徑。對(duì)于沸騰換熱，常用的傳熱系數(shù)計(jì)算模型有Rohsenow關(guān)聯(lián)式：\frac{c_{p,l}(T_{w}-T_{sat})}{r}=C_{s,f}(\frac{q}{r\rho_{v}})^{0.33}(\frac{\mu_{l}r}{g\sigma})^{0.5}(\frac{c_{p,l}\mu_{l}}{k_{l}})^{n}式中，c_{p,l}為液體的定壓比熱容，T_{w}為壁面溫度，T_{sat}為飽和溫度，r為汽化潛熱，C_{s,f}為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，與加熱表面和液體的組合有關(guān)，q為熱流密度，\rho_{v}為蒸汽密度，\mu_{l}為液體動(dòng)力粘度，g為重力加速度，\sigma為表面張力，k_{l}為液體導(dǎo)熱系數(shù)，n根據(jù)流體性質(zhì)取值，對(duì)于水，n=1。該關(guān)聯(lián)式考慮了液體的物性、熱流密度、壁面過(guò)熱度等因素對(duì)沸騰傳熱系數(shù)的影響，能夠較好地描述泡核沸騰階段的傳熱特性。在耦合換熱過(guò)程中，還需要滿(mǎn)足能量守恒方程。對(duì)于一次側(cè)流體，其能量守恒方程可表示為：\rho_{1}v_{1}c_{p1}\frac{\partialT_{1}}{\partialz}=-h_{1}(T_{1}-T_{w})對(duì)于二次側(cè)流體，能量守恒方程為：\rho_{2}v_{2}c_{p2}\frac{\partialT_{2}}{\partialz}=h_{2}(T_{w}-T_{2})+q_其中，\rho_{1}、\rho_{2}分別為一、二次側(cè)流體的密度，v_{1}、v_{2}分別為一、二次側(cè)流體的流速，c_{p1}、c_{p2}分別為一、二次側(cè)流體的定壓比熱容，T_{1}、T_{2}分別為一、二次側(cè)流體的溫度，h_{1}、h_{2}分別為一、二次側(cè)流體與傳熱管壁之間的傳熱系數(shù)，T_{w}為傳熱管壁溫度，q_為二次側(cè)沸騰傳熱的熱流密度。這些方程描述了一二次側(cè)流體在流動(dòng)過(guò)程中的能量變化以及與傳熱管壁之間的熱量傳遞關(guān)系，通過(guò)聯(lián)立求解這些方程，可以得到一二次側(cè)流體的溫度分布和傳熱性能參數(shù)。三、數(shù)值研究方法與模型建立3.1數(shù)值模擬軟件與工具本研究選用ANSYSCFX作為主要的數(shù)值模擬軟件，它是一款功能強(qiáng)大的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，在流體模擬領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。ANSYSCFX提供了豐富且全面的物理模型，能夠精確模擬各種復(fù)雜的流體流動(dòng)現(xiàn)象。在直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱的研究中，其強(qiáng)大的多相流模型發(fā)揮了關(guān)鍵作用。例如，它支持歐拉-歐拉模型，該模型可以分別對(duì)液相和汽相建立獨(dú)立的控制方程，通過(guò)相間傳質(zhì)、傳熱和動(dòng)量傳遞模型來(lái)描述兩相之間的相互作用，從而準(zhǔn)確地模擬蒸汽發(fā)生器內(nèi)汽液兩相的流動(dòng)特性，包括汽泡的生成、成長(zhǎng)、脫離、聚合與破碎等動(dòng)態(tài)過(guò)程。同時(shí)，ANSYSCFX還提供了多種湍流模型，如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、k-ω模型以及更高級(jí)的SST模型等，能夠滿(mǎn)足不同工況下對(duì)流體湍流特性模擬的需求。在直流式蒸汽發(fā)生器中，流體的流動(dòng)通常處于湍流狀態(tài)，合理選擇湍流模型對(duì)于準(zhǔn)確模擬流場(chǎng)和傳熱過(guò)程至關(guān)重要。例如，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在處理充分發(fā)展的湍流流動(dòng)時(shí)具有較好的精度和計(jì)算效率，適用于大多數(shù)常規(guī)工況下的模擬；而SST模型則在近壁面區(qū)域和復(fù)雜流動(dòng)條件下表現(xiàn)出更好的性能，能夠更準(zhǔn)確地捕捉流體的邊界層特性和流動(dòng)分離現(xiàn)象，對(duì)于蒸汽發(fā)生器內(nèi)傳熱管附近的流動(dòng)和傳熱模擬具有重要意義。在傳熱模擬方面，ANSYSCFX能夠綜合考慮對(duì)流傳熱、沸騰傳熱以及熱傳導(dǎo)等多種傳熱方式。對(duì)于直流式蒸汽發(fā)生器的一二次側(cè)耦合換熱過(guò)程，它可以通過(guò)設(shè)置合適的傳熱模型和邊界條件，精確計(jì)算熱量在一次側(cè)流體、傳熱管壁和二次側(cè)流體之間的傳遞。例如，在計(jì)算一二次側(cè)流體與傳熱管壁之間的對(duì)流傳熱時(shí)，ANSYSCFX可以根據(jù)流體的物性參數(shù)、流速以及傳熱管壁的表面特性等因素，準(zhǔn)確計(jì)算傳熱系數(shù)，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的溫度分布和熱流密度。對(duì)于二次側(cè)的沸騰傳熱過(guò)程，軟件提供了專(zhuān)門(mén)的沸騰傳熱模型，能夠考慮汽泡的生成、生長(zhǎng)和脫離對(duì)傳熱的影響，精確模擬沸騰傳熱系數(shù)的變化，為研究蒸汽發(fā)生器內(nèi)的全流型流動(dòng)沸騰特性提供了有力的工具。ANSYSCFX基于有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解，這種方法具有良好的守恒性和穩(wěn)定性，能夠保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。在求解過(guò)程中，它采用全隱式多網(wǎng)格耦合算法，該算法能夠有效地提高計(jì)算效率和收斂速度。與其他一些數(shù)值算法相比，全隱式多網(wǎng)格耦合算法在處理復(fù)雜的流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題時(shí)，能夠更快地達(dá)到收斂狀態(tài)，減少計(jì)算時(shí)間。例如，在模擬直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱過(guò)程時(shí)，涉及到多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用和復(fù)雜的邊界條件，全隱式多網(wǎng)格耦合算法能夠快速準(zhǔn)確地求解控制方程，得到穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，ANSYSCFX還支持并行計(jì)算，能夠充分利用多核處理器和計(jì)算集群的計(jì)算資源，大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高研究效率。對(duì)于大規(guī)模的數(shù)值模擬問(wèn)題，如對(duì)整個(gè)直流式蒸汽發(fā)生器進(jìn)行三維精細(xì)化模擬時(shí)，并行計(jì)算功能可以顯著提高計(jì)算速度，使得復(fù)雜的模擬研究成為可能。ANSYSCFX的用戶(hù)界面基于ANSYSWorkbench環(huán)境，具有高度的集成性和友好性。在進(jìn)行直流式蒸汽發(fā)生器的數(shù)值模擬時(shí)，用戶(hù)可以在這個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上完成從模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置到求解計(jì)算和結(jié)果后處理的整個(gè)流程，操作便捷高效。在模型建立階段，用戶(hù)可以直接在Workbench中導(dǎo)入各種CAD模型，或者使用內(nèi)置的幾何建模工具創(chuàng)建所需的幾何模型，無(wú)需在不同軟件之間切換，減少了數(shù)據(jù)傳輸和模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。網(wǎng)格劃分方面，ANSYSWorkbench提供了豐富的網(wǎng)格劃分工具，支持多種網(wǎng)格類(lèi)型，如六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格和混合網(wǎng)格等，用戶(hù)可以根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求，選擇合適的網(wǎng)格劃分方法和參數(shù)，生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。邊界條件設(shè)置和求解計(jì)算參數(shù)的調(diào)整也都可以在直觀的圖形用戶(hù)界面中完成，用戶(hù)可以方便地設(shè)置各種邊界條件，如入口流速、溫度、壓力，出口壓力等，以及調(diào)整求解器的參數(shù)，如時(shí)間步長(zhǎng)、迭代次數(shù)等。在結(jié)果后處理階段，CFX-Post提供了強(qiáng)大的后處理功能，用戶(hù)可以通過(guò)多種方式對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化分析，如繪制溫度云圖、速度矢量圖、流線(xiàn)圖等，還可以提取各種物理量的數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流速、傳熱系數(shù)等，進(jìn)行定量分析和對(duì)比研究，從而深入了解蒸汽發(fā)生器內(nèi)的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱特性。3.2幾何模型建立3.2.1模型簡(jiǎn)化與假設(shè)為了便于數(shù)值模擬，對(duì)直流式蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了一系列合理的簡(jiǎn)化與假設(shè)。在結(jié)構(gòu)方面，忽略了蒸汽發(fā)生器中一些次要的結(jié)構(gòu)部件，如管道的支撐件、連接件等。這些部件雖然在實(shí)際運(yùn)行中起到一定的作用，但它們對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱過(guò)程的影響相對(duì)較小，忽略它們可以大大簡(jiǎn)化模型的幾何結(jié)構(gòu)，減少計(jì)算量，同時(shí)又不會(huì)對(duì)主要的物理過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。以鈉冷快堆直流式蒸汽發(fā)生器為例，在簡(jiǎn)化模型時(shí)，去除了傳熱管之間的支撐結(jié)構(gòu)和一些用于固定管道的連接件，僅保留了傳熱管、集箱以及主要的管道等關(guān)鍵部件，這樣既保證了模型能夠反映蒸汽發(fā)生器的核心功能，又降低了模型的復(fù)雜性。在流體特性方面，假設(shè)流體為連續(xù)介質(zhì)，忽略流體分子間的微觀間隙和離散性。這一假設(shè)是基于流體力學(xué)的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，在宏觀尺度上，流體的物理性質(zhì)可以看作是連續(xù)分布的，這使得我們可以使用連續(xù)的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述流體的各種物理量，如速度、壓力、溫度等，從而方便地建立流體流動(dòng)和傳熱的控制方程。同時(shí)，假設(shè)流體的物性參數(shù)，如密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等，僅與溫度和壓力有關(guān)，不考慮其他因素對(duì)物性參數(shù)的影響。在實(shí)際運(yùn)行中，流體的物性參數(shù)可能會(huì)受到多種因素的影響，如雜質(zhì)含量、流體的流動(dòng)狀態(tài)等，但在一定的工況范圍內(nèi)，溫度和壓力是影響物性參數(shù)的主要因素，忽略其他次要因素可以簡(jiǎn)化計(jì)算，并且在大多數(shù)情況下不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。在傳熱方面，忽略了蒸汽發(fā)生器外殼與周?chē)h(huán)境之間的散熱損失。在實(shí)際運(yùn)行中，蒸汽發(fā)生器會(huì)通過(guò)外殼向周?chē)h(huán)境散熱，但與蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的傳熱過(guò)程相比，這種散熱損失相對(duì)較小，特別是在一些保溫措施良好的蒸汽發(fā)生器中，散熱損失可以忽略不計(jì)。忽略外殼散熱損失可以簡(jiǎn)化傳熱計(jì)算，使我們能夠更專(zhuān)注于蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的一二次側(cè)耦合換熱過(guò)程。同時(shí)，假設(shè)傳熱管壁為均勻的固體材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，不考慮管壁材料的微觀結(jié)構(gòu)和不均勻性對(duì)導(dǎo)熱性能的影響。在實(shí)際的蒸汽發(fā)生器中，傳熱管壁的材料可能存在一定的微觀結(jié)構(gòu)差異和不均勻性，但在宏觀尺度上，這些因素對(duì)傳熱性能的影響相對(duì)較小，假設(shè)管壁材料均勻且導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)可以簡(jiǎn)化計(jì)算，并且在工程應(yīng)用中具有足夠的精度。在流動(dòng)方面，假設(shè)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)假設(shè)下，流體的速度、壓力、溫度等物理量不隨時(shí)間變化，這使得我們可以使用穩(wěn)態(tài)的控制方程進(jìn)行數(shù)值模擬，減少了時(shí)間變量的引入，降低了計(jì)算復(fù)雜度。雖然在實(shí)際運(yùn)行中，蒸汽發(fā)生器可能會(huì)受到一些瞬態(tài)因素的影響，如負(fù)荷變化、啟停過(guò)程等，但在某些特定的工況下，蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行可以近似看作是穩(wěn)態(tài)的，例如在穩(wěn)定運(yùn)行的核電站中，蒸汽發(fā)生器在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)采用穩(wěn)態(tài)流動(dòng)假設(shè)進(jìn)行數(shù)值模擬可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。同時(shí)，假設(shè)流體在管道內(nèi)的流動(dòng)為軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)，即流體的速度、壓力等物理量在管道的橫截面上呈軸對(duì)稱(chēng)分布。這一假設(shè)適用于大多數(shù)圓形管道內(nèi)的流動(dòng)情況，在這種情況下，我們可以通過(guò)建立軸對(duì)稱(chēng)模型來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算，只需要對(duì)管道的一半進(jìn)行模擬，從而減少計(jì)算量。通過(guò)以上簡(jiǎn)化與假設(shè)，建立了適用于數(shù)值模擬的直流式蒸汽發(fā)生器幾何模型，這些簡(jiǎn)化與假設(shè)在保證計(jì)算精度的前提下，大大提高了數(shù)值模擬的效率和可行性，為后續(xù)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。3.2.2模型參數(shù)設(shè)置模型的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置對(duì)于準(zhǔn)確模擬直流式蒸汽發(fā)生器的全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱過(guò)程至關(guān)重要。以某鈉冷快堆直流式蒸汽發(fā)生器為例，其管道尺寸參數(shù)如下：傳熱管內(nèi)徑d_{i}為15mm，外徑d_{o}為18mm，壁厚t=d_{o}-d_{i}=3mm，這樣的壁厚設(shè)計(jì)既能保證傳熱管具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，承受一二次側(cè)流體的壓力差，又能滿(mǎn)足良好的導(dǎo)熱性能要求，確保熱量能夠有效地從一次側(cè)傳遞到二次側(cè)。傳熱管長(zhǎng)度L為12m，較長(zhǎng)的傳熱管長(zhǎng)度可以增加一二次側(cè)流體之間的換熱面積，提高換熱效率，使二次側(cè)的給水能夠充分吸收熱量，實(shí)現(xiàn)全流型流動(dòng)沸騰和過(guò)熱蒸汽的產(chǎn)生。集箱的直徑根據(jù)蒸汽發(fā)生器的容量和流量要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，假設(shè)集箱直徑為500mm，較大的集箱直徑可以減小流體在集箱內(nèi)的流動(dòng)阻力，保證流體能夠均勻地分配到各個(gè)傳熱管中，同時(shí)也便于安裝各種測(cè)量?jī)x表和控制裝置，用于監(jiān)測(cè)和控制蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行參數(shù)。在進(jìn)出口條件設(shè)置方面，一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的入口溫度T_{in1}設(shè)定為380℃，這是根據(jù)鈉冷快堆的實(shí)際運(yùn)行工況確定的，在該溫度下，液態(tài)金屬鈉具有良好的導(dǎo)熱性能和流動(dòng)性，能夠有效地將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給二次側(cè)。入口質(zhì)量流量m_{1}為80kg/s，該流量能夠保證一次側(cè)流體具有足夠的攜熱能力，滿(mǎn)足蒸汽發(fā)生器的換熱需求。出口壓力P_{out1}設(shè)定為0.3MPa，此壓力能夠維持液態(tài)金屬鈉在管道內(nèi)的穩(wěn)定流動(dòng)，并且與整個(gè)鈉冷快堆系統(tǒng)的壓力匹配。二次側(cè)給水的入口溫度T_{in2}為180℃，處于過(guò)冷水狀態(tài)，這樣的入口溫度可以保證給水在蒸汽發(fā)生器內(nèi)有足夠的過(guò)冷度，以便在吸收熱量后能夠順利地發(fā)生全流型流動(dòng)沸騰。入口質(zhì)量流量m_{2}為6kg/s，該流量能夠控制二次側(cè)工質(zhì)的流速和換熱量，確保蒸汽發(fā)生器能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽。出口壓力P_{out2}設(shè)定為9MPa，此壓力決定了蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽的過(guò)熱度和品質(zhì)，滿(mǎn)足后續(xù)汽輪機(jī)等設(shè)備的工作要求。這些參數(shù)取值的依據(jù)主要來(lái)源于實(shí)際工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行的直流式蒸汽發(fā)生器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，獲取了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為模型參數(shù)的設(shè)置提供了重要的參考依據(jù)。同時(shí)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究也對(duì)不同參數(shù)條件下蒸汽發(fā)生器的性能進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，進(jìn)一步確保了模型參數(shù)設(shè)置的合理性和準(zhǔn)確性。在實(shí)際模擬過(guò)程中，還會(huì)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，研究參數(shù)變化對(duì)蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱特性的影響，從而為蒸汽發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供更全面的指導(dǎo)。3.3網(wǎng)格劃分3.3.1網(wǎng)格劃分方法與策略本研究采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法對(duì)直流式蒸汽發(fā)生器幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在傳熱管等形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且對(duì)計(jì)算精度要求較高的區(qū)域，優(yōu)先采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)排列有序，網(wǎng)格質(zhì)量高，能夠有效地提高計(jì)算精度和收斂速度。例如，對(duì)于傳熱管的圓柱形區(qū)域，通過(guò)使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，可以確保網(wǎng)格在軸向和徑向的分布均勻，準(zhǔn)確地捕捉流體在傳熱管內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性。在劃分過(guò)程中，根據(jù)傳熱管的尺寸和計(jì)算精度要求，合理確定網(wǎng)格的尺寸和數(shù)量。在近壁面區(qū)域，為了準(zhǔn)確模擬邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象，采用加密的網(wǎng)格，使網(wǎng)格尺寸逐漸減小，以滿(mǎn)足y+值的要求。y+是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，用于衡量壁面附近網(wǎng)格的分辨率，在湍流模擬中，通常要求y+值在合適的范圍內(nèi)，一般對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，y+值在30-300之間較為合適。通過(guò)調(diào)整近壁面區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，使y+值滿(mǎn)足這一范圍，從而保證對(duì)邊界層內(nèi)流動(dòng)和傳熱的準(zhǔn)確模擬。對(duì)于集箱、管道連接部位等形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不規(guī)則的區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，具有較強(qiáng)的靈活性。在這些區(qū)域，使用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以根據(jù)幾何形狀的變化自動(dòng)生成網(wǎng)格，避免了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時(shí)可能出現(xiàn)的網(wǎng)格扭曲和質(zhì)量下降等問(wèn)題。例如，在集箱與傳熱管的連接部位，由于幾何形狀復(fù)雜，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以更準(zhǔn)確地描述該區(qū)域的幾何特征，保證網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算精度。同時(shí)，在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格生長(zhǎng)率和網(wǎng)格質(zhì)量控制參數(shù)，確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿(mǎn)足計(jì)算要求。網(wǎng)格生長(zhǎng)率決定了網(wǎng)格尺寸在不同區(qū)域的變化速度，合理的網(wǎng)格生長(zhǎng)率可以避免網(wǎng)格尺寸變化過(guò)于劇烈，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格質(zhì)量控制參數(shù)則用于檢查和優(yōu)化網(wǎng)格的質(zhì)量，如網(wǎng)格的縱橫比、正交性等，確保網(wǎng)格的質(zhì)量符合計(jì)算要求。在網(wǎng)格劃分策略上，遵循從粗到細(xì)的原則，先進(jìn)行粗網(wǎng)格劃分，進(jìn)行初步的數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)對(duì)粗網(wǎng)格模擬結(jié)果的分析，確定模型中對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大的關(guān)鍵區(qū)域，如傳熱管內(nèi)的流動(dòng)核心區(qū)域、集箱內(nèi)流體的混合區(qū)域等。然后，對(duì)這些關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，提高網(wǎng)格的分辨率，再次進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)這種逐步加密網(wǎng)格的方式，可以在保證計(jì)算精度的前提下，有效地控制計(jì)算量，提高計(jì)算效率。例如，在初步的粗網(wǎng)格模擬中，發(fā)現(xiàn)傳熱管入口段的流動(dòng)和傳熱對(duì)整個(gè)蒸汽發(fā)生器的性能有較大影響，于是在該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，增加網(wǎng)格數(shù)量，細(xì)化網(wǎng)格尺寸。重新模擬后，得到了更準(zhǔn)確的入口段流動(dòng)和傳熱特性，進(jìn)而提高了對(duì)整個(gè)蒸汽發(fā)生器性能模擬的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，還考慮了計(jì)算資源的限制，合理控制網(wǎng)格數(shù)量，避免因網(wǎng)格數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或計(jì)算內(nèi)存不足等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算資源的平衡，確保數(shù)值模擬能夠在有限的計(jì)算資源條件下順利進(jìn)行。3.3.2網(wǎng)格質(zhì)量檢查與優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，因此在完成網(wǎng)格劃分后，需要對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，并對(duì)不合格的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。使用ANSYSWorkbench自帶的網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具，對(duì)網(wǎng)格的縱橫比、正交性、雅克比行列式等參數(shù)進(jìn)行檢查?？v橫比是衡量網(wǎng)格單元形狀偏離理想形狀程度的指標(biāo)，對(duì)于六面體網(wǎng)格，理想的縱橫比為1，當(dāng)縱橫比過(guò)大時(shí)，網(wǎng)格單元會(huì)變得狹長(zhǎng)，導(dǎo)致計(jì)算精度下降。在本研究中，設(shè)定縱橫比的上限為10，對(duì)于超過(guò)該上限的網(wǎng)格單元，視為不合格網(wǎng)格。正交性反映了網(wǎng)格單元各邊之間的夾角與直角的偏離程度，正交性越好，網(wǎng)格質(zhì)量越高。一般要求網(wǎng)格的最小正交角大于30°，以保證網(wǎng)格的質(zhì)量。雅克比行列式用于衡量網(wǎng)格單元在變形過(guò)程中的扭曲程度，雅克比行列式的值應(yīng)在合理范圍內(nèi)，一般要求大于0.1，否則網(wǎng)格可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的扭曲，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于檢查出的不合格網(wǎng)格，采取多種優(yōu)化方法進(jìn)行處理。對(duì)于縱橫比過(guò)大的網(wǎng)格，通過(guò)局部網(wǎng)格重劃分的方法，調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置和分布，使網(wǎng)格單元的形狀更加規(guī)則，減小縱橫比。例如，在傳熱管的某些區(qū)域，由于網(wǎng)格劃分時(shí)的誤差，出現(xiàn)了一些縱橫比過(guò)大的網(wǎng)格，通過(guò)局部重劃分，重新生成這些區(qū)域的網(wǎng)格，使縱橫比滿(mǎn)足要求。對(duì)于正交性較差的網(wǎng)格，采用平滑處理的方法，對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)，改善網(wǎng)格各邊之間的夾角，提高正交性。在平滑處理過(guò)程中，通過(guò)迭代計(jì)算，逐步調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置，直到網(wǎng)格的正交性達(dá)到要求。對(duì)于雅克比行列式值過(guò)小的網(wǎng)格，采用網(wǎng)格細(xì)化的方法，增加網(wǎng)格單元的數(shù)量，減小網(wǎng)格單元的尺寸，從而減小網(wǎng)格的扭曲程度，提高雅克比行列式的值。例如，在集箱的一些復(fù)雜區(qū)域，存在雅克比行列式值過(guò)小的網(wǎng)格，通過(guò)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，將大的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)小的網(wǎng)格單元，有效地提高了網(wǎng)格的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢查和優(yōu)化后，再次對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，確保網(wǎng)格的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均滿(mǎn)足計(jì)算要求。優(yōu)化后的網(wǎng)格不僅能夠提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，還能保證計(jì)算過(guò)程的穩(wěn)定性，減少計(jì)算過(guò)程中可能出現(xiàn)的收斂困難或計(jì)算結(jié)果異常等問(wèn)題。通過(guò)嚴(yán)格的網(wǎng)格質(zhì)量控制，為后續(xù)的數(shù)值模擬研究提供了可靠的網(wǎng)格基礎(chǔ)。3.4數(shù)學(xué)模型選擇與設(shè)置3.4.1流動(dòng)模型在模擬直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流體流動(dòng)時(shí)，選擇了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種應(yīng)用廣泛的兩方程湍流模型，它通過(guò)求解湍動(dòng)能k方程和湍流耗散率\varepsilon方程來(lái)封閉雷諾應(yīng)力方程，從而描述湍流流動(dòng)特性。選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的依據(jù)主要有以下幾點(diǎn)。首先，該模型在處理充分發(fā)展的湍流流動(dòng)時(shí)具有較高的精度和良好的計(jì)算穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)流體的平均速度、湍動(dòng)能和湍流耗散率等參數(shù)。在直流式蒸汽發(fā)生器中，一二次側(cè)流體的流動(dòng)通常處于湍流狀態(tài)，且流動(dòng)較為充分，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型能夠很好地適應(yīng)這種工況，對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。其次，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有成熟的理論基礎(chǔ)和豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其計(jì)算方法和參數(shù)設(shè)置已經(jīng)得到了廣泛的驗(yàn)證和認(rèn)可。許多學(xué)者在研究類(lèi)似的流體流動(dòng)問(wèn)題時(shí)都采用了該模型，并取得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符的模擬結(jié)果，這為本文的研究提供了可靠的參考。此外，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的計(jì)算效率較高，在保證計(jì)算精度的前提下，能夠大大縮短計(jì)算時(shí)間，滿(mǎn)足大規(guī)模數(shù)值模擬的需求。對(duì)于直流式蒸汽發(fā)生器這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，需要進(jìn)行大量的計(jì)算，計(jì)算效率的提高對(duì)于研究工作的順利開(kāi)展至關(guān)重要。雖然標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在某些特殊工況下，如強(qiáng)旋流、近壁面復(fù)雜流動(dòng)等，可能存在一定的局限性，但在本文所研究的直流式蒸汽發(fā)生器的常規(guī)工況下，其能夠準(zhǔn)確地描述流體的湍流特性，為后續(xù)的傳熱模擬和性能分析提供可靠的流場(chǎng)數(shù)據(jù)。3.4.2傳熱模型確定采用兩流體模型來(lái)描述蒸汽發(fā)生器內(nèi)的傳熱過(guò)程，尤其是全流型流動(dòng)沸騰過(guò)程中的傳熱特性。兩流體模型是一種基于歐拉-歐拉方法的多相流模型，它將汽相和液相視為相互貫穿的連續(xù)介質(zhì)，分別對(duì)汽相和液相建立獨(dú)立的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，通過(guò)相間傳質(zhì)、傳熱和動(dòng)量傳遞模型來(lái)描述兩相之間的相互作用。兩流體模型的基本方程如下：質(zhì)量守恒方程：液相：\frac{\partial(\alpha_{l}\rho_{l})}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_{l}\rho_{l}\vec{v}_{l})=-\dot{m}_{lv}汽相：\frac{\partial(\alpha_{v}\rho_{v})}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_{v}\rho_{v}\vec{v}_{v})=\dot{m}_{lv}其中，\alpha_{l}和\alpha_{v}分別為液相和汽相的體積分?jǐn)?shù)，\rho_{l}和\rho_{v}分別為液相和汽相的密度，\vec{v}_{l}和\vec{v}_{v}分別為液相和汽相的速度矢量，\dot{m}_{lv}為相間傳質(zhì)速率。動(dòng)量守恒方程：液相：\frac{\partial(\alpha_{l}\rho_{l}\vec{v}_{l})}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_{l}\rho_{l}\vec{v}_{l}\vec{v}_{l})=-\alpha_{l}\nablaP+\nabla\cdot(\alpha_{l}\tau_{l})+\alpha_{l}\rho_{l}\vec{g}+\vec{M}_{lv}汽相：\frac{\partial(\alpha_{v}\rho_{v}\vec{v}_{v})}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_{v}\rho_{v}\vec{v}_{v}\vec{v}_{v})=-\alpha_{v}\nablaP+\nabla\cdot(\alpha_{v}\tau_{v})+\alpha_{v}\rho_{v}\vec{g}-\vec{M}_{lv}其中，P為壓力，\tau_{l}和\tau_{v}分別為液相和汽相的粘性應(yīng)力張量，\vec{g}為重力加速度矢量，\vec{M}_{lv}為相間動(dòng)量傳遞速率。能量守恒方程：液相：\frac{\partial(\alpha_{l}\rho_{l}h_{l})}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_{l}\rho_{l}\vec{v}_{l}h_{l})=\alpha_{l}\frac{\partialP}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_{l}k_{l}\nablaT_{l})+\dot{q}_{lv}-\dot{m}_{lv}h_{lv}汽相：\frac{\partial(\alpha_{v}\rho_{v}h_{v})}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_{v}\rho_{v}\vec{v}_{v}h_{v})=\alpha_{v}\frac{\partialP}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_{v}k_{v}\nablaT_{v})-\dot{q}_{lv}+\dot{m}_{lv}h_{lv}其中，h_{l}和h_{v}分別為液相和汽相的焓，k_{l}和k_{v}分別為液相和汽相的導(dǎo)熱系數(shù)，T_{l}和T_{v}分別為液相和汽相的溫度，\dot{q}_{lv}為相間傳熱速率，h_{lv}為汽化潛熱。兩流體模型的適用范圍廣泛，能夠準(zhǔn)確地描述蒸汽發(fā)生器內(nèi)全流型流動(dòng)沸騰過(guò)程中汽液兩相的復(fù)雜流動(dòng)和傳熱特性，包括汽泡的生成、成長(zhǎng)、脫離、聚合與破碎等動(dòng)態(tài)行為。與其他傳熱模型相比，如均相流模型，兩流體模型考慮了汽液兩相的速度差和溫度差，能夠更真實(shí)地反映蒸汽發(fā)生器內(nèi)的傳熱過(guò)程，對(duì)于研究直流式蒸汽發(fā)生器全流型流動(dòng)沸騰及耦合換熱具有重要的意義。3.4.3邊界條件設(shè)置在數(shù)值模擬中，明確了以下邊界條件：入口邊界條件：一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，根據(jù)前面設(shè)定的模型參數(shù)，入口質(zhì)量流量m_{1}為80kg/s，入口溫度T_{in1}設(shè)定為380℃。在CFX中，通過(guò)在入口邊界上指定質(zhì)量流量和溫度的值來(lái)實(shí)現(xiàn)這一邊界條件的設(shè)置。對(duì)于二次側(cè)給水，入口同樣設(shè)置為質(zhì)量流量入口，入口質(zhì)量流量m_{2}為6kg/s，入口溫度T_{in2}為180℃。同時(shí)，考慮到流體在入口處的流動(dòng)方向，指定入口速度的方向與管道軸線(xiàn)方向一致。這種入口邊界條件的設(shè)置方式能夠準(zhǔn)確地模擬實(shí)際運(yùn)行中一次側(cè)液態(tài)金屬鈉和二次側(cè)給水的流入情況，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的初始條件。出口邊界條件：一次側(cè)和二次側(cè)的出口均設(shè)置為壓力出口，一次側(cè)出口壓力P_{out1}設(shè)定為0.3MPa，二次側(cè)出口壓力P_{out2}設(shè)定為9MPa。在CFX中，通過(guò)在出口邊界上指定壓力值來(lái)實(shí)現(xiàn)這一邊界條件的設(shè)置。壓力出口邊界條件假設(shè)出口處的壓力是均勻的，且與周?chē)h(huán)境的壓力相等，這種設(shè)置方式能夠保證流體在出口處的流動(dòng)狀態(tài)符合實(shí)際情況，避免出現(xiàn)不合理的壓力波動(dòng)。壁面邊界條件：傳熱管壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面條件，即流體在壁面處的速度為零。這是因?yàn)樵趯?shí)際情況中，流體與壁面之間存在粘性力，使得流體在壁面處的流速為零。同時(shí)，考慮到一二次側(cè)流體與傳熱管壁之間的換熱，設(shè)置壁面為耦合傳熱邊界條件，通過(guò)求解傳熱方程來(lái)計(jì)算壁面與流體之間的熱量傳遞。在CFX中，通過(guò)在壁面邊界上指定無(wú)滑移條件和耦合傳熱參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一邊界條件的設(shè)置。這種壁面邊界條件的設(shè)置方式能夠準(zhǔn)確地模擬傳熱管壁面與流體之間的相互作用，包括熱量傳遞和動(dòng)量交換，為研究蒸汽發(fā)生器內(nèi)的耦合換熱過(guò)程提供準(zhǔn)確的邊界條件。此外，對(duì)于蒸汽發(fā)生器的外殼壁面，設(shè)置為絕熱邊界條件，即假設(shè)外殼壁面與周?chē)h(huán)境之間沒(méi)有熱量交換，這與前面的模型簡(jiǎn)化假設(shè)一致，能夠簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，同時(shí)又不會(huì)對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的傳熱和流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。四、全流型流動(dòng)沸騰數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1流場(chǎng)特性分析4.1.1速度分布通過(guò)數(shù)值模擬，獲得了直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)不同位置的速度分布情況，如圖1所示。在蒸汽發(fā)生器的入口段，由于流體剛進(jìn)入管道，速度分布較為均勻。隨著流體沿管道流動(dòng)，在傳熱管內(nèi)，由于粘性力的作用，靠近管壁的流體速度逐漸降低，形成速度邊界層。在傳熱管中心區(qū)域，流體速度較高，且速度分布呈現(xiàn)出軸對(duì)稱(chēng)特性。從圖1中可以看出，在不同的工況下，蒸汽發(fā)生器內(nèi)的速度分布存在一定的差異。當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，二次側(cè)工質(zhì)的汽化速率加快，產(chǎn)生的蒸汽量增多，導(dǎo)致蒸汽的流速增大。這是因?yàn)闊嶝?fù)荷的增加使得單位時(shí)間內(nèi)傳遞給工質(zhì)的熱量增多，更多的液體汽化為蒸汽，蒸汽的體積膨脹，從而推動(dòng)蒸汽以更高的速度流動(dòng)。同時(shí)，隨著質(zhì)量流量的增加，流體的整體流速也會(huì)增大。這是因?yàn)橘|(zhì)量流量的增加意味著單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道的流體質(zhì)量增多，在管道截面積不變的情況下，流體的流速必然增大。速度分布對(duì)流動(dòng)沸騰有著重要的影響。較高的流速能夠增強(qiáng)對(duì)流換熱效果，使熱量能夠更快速地從傳熱管壁傳遞到工質(zhì)中，從而促進(jìn)沸騰過(guò)程的進(jìn)行。例如，在高流速下，汽泡更容易被流體帶走，減少了汽泡在壁面的聚集，降低了壁面的熱阻，提高了傳熱系數(shù)。此外，流速的變化還會(huì)影響汽泡的生長(zhǎng)和脫離特性。當(dāng)流速較低時(shí)，汽泡在壁面生長(zhǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)，容易聚合成較大的汽泡，而較大的汽泡脫離壁面的難度較大，可能會(huì)導(dǎo)致壁面出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象。而當(dāng)流速較高時(shí)，汽泡受到的剪切力增大，更容易破碎成較小的汽泡，這些小汽泡能夠更快速地脫離壁面，增強(qiáng)了沸騰傳熱的穩(wěn)定性。4.1.2壓力分布直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力分布云圖如圖2所示。在蒸汽發(fā)生器的入口處，流體的壓力較高，隨著流體在管道內(nèi)流動(dòng)，由于流動(dòng)阻力的存在，壓力逐漸降低。在傳熱管內(nèi)，壓力的降低較為明顯，尤其是在靠近出口的位置，壓力下降更為顯著。從壓力分布云圖中可以觀察到，一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的壓力相對(duì)穩(wěn)定，變化較小，這是因?yàn)橐簯B(tài)金屬鈉的密度較大，流動(dòng)性較好，在管道內(nèi)的流動(dòng)阻力相對(duì)較小。而二次側(cè)給水在流動(dòng)過(guò)程中，由于發(fā)生全流型流動(dòng)沸騰，汽液兩相的存在使得流動(dòng)阻力增大，壓力下降較為明顯。在沸騰段，隨著蒸汽的產(chǎn)生，汽液混合物的體積膨脹，導(dǎo)致局部壓力升高，但總體上仍呈現(xiàn)出沿流動(dòng)方向壓力逐漸降低的趨勢(shì)。壓力變化與流動(dòng)沸騰密切相關(guān)。壓力的降低會(huì)使液體的飽和溫度降低，從而增加液體的過(guò)熱度，促進(jìn)汽泡的生成和生長(zhǎng)。在蒸汽發(fā)生器內(nèi)，壓力的變化會(huì)影響沸騰的起始點(diǎn)和沸騰的強(qiáng)度。當(dāng)壓力降低到一定程度時(shí)，液體開(kāi)始沸騰，形成汽泡。而在沸騰過(guò)程中，壓力的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致汽泡的生長(zhǎng)和破裂過(guò)程不穩(wěn)定，影響沸騰傳熱的效果。例如，在壓力波動(dòng)較大的區(qū)域，汽泡可能會(huì)出現(xiàn)突然膨脹和破裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致傳熱系數(shù)的波動(dòng)，進(jìn)而影響蒸汽發(fā)生器的整體性能。此外，壓力的變化還會(huì)影響蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流型分布。在不同的壓力條件下，汽液兩相的分布狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，從而影響蒸汽發(fā)生器的傳熱性能和流動(dòng)穩(wěn)定性。4.2溫度場(chǎng)特性分析4.2.1工質(zhì)溫度分布通過(guò)數(shù)值模擬，得到了直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)在不同工況下的溫度分布，如圖3所示。在蒸汽發(fā)生器的入口段，二次側(cè)給水溫度較低，處于過(guò)冷水狀態(tài)，隨著工質(zhì)在傳熱管內(nèi)流動(dòng)，吸收一次側(cè)傳來(lái)的熱量，溫度逐漸升高。在預(yù)熱段，工質(zhì)主要通過(guò)單相液體強(qiáng)迫對(duì)流換熱吸收熱量，溫度升高較為緩慢。當(dāng)工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)段后，開(kāi)始發(fā)生沸騰現(xiàn)象，產(chǎn)生大量汽泡，此時(shí)工質(zhì)的溫度基本保持在飽和溫度不變，隨著蒸汽含量的增加，汽液混合物的焓值不斷增大。在過(guò)熱段，蒸汽繼續(xù)吸收熱量，溫度進(jìn)一步升高，成為過(guò)熱蒸汽。從圖3中可以看出，熱負(fù)荷和質(zhì)量流量對(duì)工質(zhì)溫度分布有顯著影響。當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)傳遞給工質(zhì)的熱量增多，工質(zhì)的升溫速率加快，蒸發(fā)段的長(zhǎng)度縮短，過(guò)熱段的長(zhǎng)度增加，出口蒸汽的過(guò)熱度增大。這是因?yàn)闊嶝?fù)荷的增加使得傳熱管壁面與工質(zhì)之間的溫差增大，傳熱速率加快，工質(zhì)能夠更快地吸收熱量，從而導(dǎo)致蒸發(fā)和過(guò)熱過(guò)程提前發(fā)生。例如，當(dāng)熱負(fù)荷提高20%時(shí)，出口蒸汽的過(guò)熱度可能會(huì)增加10-15℃。質(zhì)量流量的變化也會(huì)對(duì)工質(zhì)溫度分布產(chǎn)生影響。當(dāng)質(zhì)量流量增大時(shí)，工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的停留時(shí)間縮短，單位質(zhì)量工質(zhì)吸收的熱量減少，導(dǎo)致工質(zhì)的升溫速率降低，蒸發(fā)段和過(guò)熱段的長(zhǎng)度均增加，出口蒸汽的過(guò)熱度減小。這是因?yàn)橘|(zhì)量流量的增加使得工質(zhì)能夠更快地通過(guò)蒸汽發(fā)生器，來(lái)不及充分吸收熱量，從而使得蒸汽的過(guò)熱程度降低。例如，當(dāng)質(zhì)量流量增加50%時(shí)，出口蒸汽的過(guò)熱度可能會(huì)降低10-15℃。工質(zhì)溫度的變化對(duì)沸騰過(guò)程有著重要的影響。在預(yù)熱段，工質(zhì)溫度的升高為沸騰的發(fā)生提供了必要的條件，隨著溫度的升高，工質(zhì)的過(guò)熱度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)觸發(fā)沸騰現(xiàn)象。在蒸發(fā)段，工質(zhì)溫度保持在飽和溫度，這是沸騰過(guò)程持續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵，穩(wěn)定的飽和溫度保證了汽泡的不斷生成和生長(zhǎng)。而在過(guò)熱段，蒸汽溫度的升高則反映了蒸汽的過(guò)熱程度，過(guò)熱蒸汽的溫度過(guò)高或過(guò)低都可能會(huì)影響蒸汽的使用性能和后續(xù)設(shè)備的運(yùn)行安全。例如，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片的損壞，而過(guò)低則會(huì)降低蒸汽的做功能力。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要合理控制工質(zhì)的溫度分布，以確保蒸汽發(fā)生器的安全穩(wěn)定運(yùn)行和蒸汽的質(zhì)量。4.2.2壁面溫度分布直流式蒸汽發(fā)生器傳熱管壁面溫度分布云圖如圖4所示。在蒸汽發(fā)生器的入口段，傳熱管壁面溫度較低，隨著工質(zhì)的流動(dòng)和熱量的傳遞，壁面溫度逐漸升高。在蒸發(fā)段，由于沸騰傳熱的作用，壁面溫度基本保持在飽和溫度附近，此時(shí)壁面與工質(zhì)之間的溫差較小，傳熱主要依靠汽泡的生成、生長(zhǎng)和脫離來(lái)實(shí)現(xiàn)。在過(guò)熱段，蒸汽對(duì)壁面的冷卻作用減弱，壁面溫度逐漸升高，且壁面溫度分布不均勻，靠近蒸汽出口的位置壁面溫度較高。壁面溫度對(duì)傳熱和沸騰有著重要的影響。壁面溫度的高低直接決定了傳熱溫差的大小，從而影響傳熱速率。在預(yù)熱段，壁面溫度與工質(zhì)溫度之間的溫差較大，傳熱速率較快，工質(zhì)能夠迅速吸收熱量升溫。而在蒸發(fā)段，壁面溫度與工質(zhì)的飽和溫度接近，傳熱溫差較小，但由于沸騰傳熱的強(qiáng)化作用，傳熱系數(shù)較大，仍然能夠保證熱量的有效傳遞。如果壁面溫度過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致沸騰臨界現(xiàn)象的發(fā)生，如膜態(tài)沸騰或干涸。在膜態(tài)沸騰時(shí)，壁面被一層連續(xù)的汽膜所覆蓋，汽膜的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于液體，熱阻增大，傳熱系數(shù)急劇下降，壁面溫度會(huì)迅速升高，這可能會(huì)導(dǎo)致傳熱管的損壞。干涸現(xiàn)象則是由于液膜的蒸發(fā)和撕裂，液膜逐漸變薄直至消失，壁面直接與蒸汽接觸，傳熱系數(shù)大幅降低，壁面溫度也會(huì)急劇升高。因此，在蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制壁面溫度，避免出現(xiàn)過(guò)高的壁面溫度，以確保蒸汽發(fā)生器的安全穩(wěn)定運(yùn)行和良好的傳熱性能。同時(shí)，壁面溫度的不均勻分布也可能會(huì)導(dǎo)致傳熱管的熱應(yīng)力分布不均勻，長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)引起傳熱管的變形和損壞，因此需要對(duì)壁面溫度的均勻性進(jìn)行關(guān)注和優(yōu)化。4.3沸騰特性分析4.3.1汽泡生成與發(fā)展通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的深入觀察，清晰地揭示了汽泡在直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)的生成位置、生長(zhǎng)過(guò)程和脫離規(guī)律。在蒸汽發(fā)生器的蒸發(fā)段，當(dāng)二次側(cè)工質(zhì)的溫度達(dá)到飽和溫度且壁面存在足夠的過(guò)熱度時(shí)，汽泡開(kāi)始在傳熱管壁面的微小凹穴、雜質(zhì)或表面缺陷處生成。這些位置能夠提供汽核形成所需的能量和空間，降低了汽核形成的難度。例如，在一些微觀結(jié)構(gòu)較為粗糙的傳熱管壁面上，汽泡的生成位置更加密集，因?yàn)榇植诘谋砻嫣峁┝烁嗟某珊宋稽c(diǎn)。隨著熱量的持續(xù)輸入，汽泡開(kāi)始迅速生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)初期，汽泡主要通過(guò)吸收周?chē)后w的汽化潛熱而膨脹，其生長(zhǎng)速度與熱流密度和液體的過(guò)熱度密切相關(guān)。熱流密度越大，單位時(shí)間內(nèi)傳遞給汽泡的熱量越多，汽泡的生長(zhǎng)速度就越快；液體的過(guò)熱度越高，汽泡內(nèi)蒸汽與周?chē)后w的壓力差越大，也會(huì)促進(jìn)汽泡的快速生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，汽泡周?chē)囊后w形成了復(fù)雜的流動(dòng)場(chǎng)，液體不斷向汽泡表面補(bǔ)充，以維持汽泡的生長(zhǎng)。同時(shí)，汽泡的生長(zhǎng)也對(duì)周?chē)后w的溫度分布產(chǎn)生了顯著影響，使得壁面附近的液體溫度降低，形成溫度梯度。當(dāng)汽泡生長(zhǎng)到一定尺寸時(shí)，會(huì)受到多種力的共同作用而脫離傳熱管壁面。浮力是促使汽泡脫離壁面的主要驅(qū)動(dòng)力之一，由于汽泡的密度遠(yuǎn)小于周?chē)后w的密度，在重力場(chǎng)中，汽泡受到向上的浮力作用。粘性力則對(duì)汽泡的運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用，它與液體的粘度和汽泡的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。表面張力作用在汽泡與液體的界面上，試圖使汽泡保持球形，對(duì)汽泡的脫離起到一定的阻礙作用。當(dāng)浮力和粘性力的合力大于表面張力時(shí)，汽泡就會(huì)脫離壁面，進(jìn)入液體主流中。汽泡脫離壁面的頻率和尺寸對(duì)沸騰傳熱性能有著重要影響。較高的脫離頻率能夠及時(shí)帶走壁面的熱量，增強(qiáng)傳熱效果；而較大尺寸的汽泡雖然攜帶的熱量較多，但脫離壁面的難度也會(huì)增加，可能會(huì)導(dǎo)致壁面出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象。通過(guò)數(shù)值模擬還發(fā)現(xiàn)，汽泡在脫離壁面后，會(huì)在液體主流中繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，與周?chē)钠莅l(fā)生聚合與破碎等相互作用，進(jìn)一步影響著沸騰傳熱過(guò)程和流型分布。4.3.2沸騰傳熱系數(shù)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了不同工況下直流式蒸汽發(fā)生器內(nèi)的沸騰傳熱系數(shù)，并對(duì)其變化情況進(jìn)行了深入分析，探討了其與各影響因素之間的關(guān)系。在蒸發(fā)段，沸騰傳熱系數(shù)隨著熱負(fù)荷的增加而顯著增大。這是因?yàn)闊嶝?fù)荷的增加使得壁面過(guò)熱度增大，汽泡的生成頻率和尺寸也隨之增大，對(duì)邊界層的擾動(dòng)增強(qiáng)，從而強(qiáng)化了傳熱效果。當(dāng)熱負(fù)荷從初始值增加50%時(shí)，沸騰傳熱系數(shù)可能會(huì)提高30%-50%。隨著質(zhì)量流量的增大，沸騰傳熱系數(shù)也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。這是由于質(zhì)量流量的增加使流體的流速增大，對(duì)流換熱效果增強(qiáng)，同時(shí)汽泡在液體中的停留時(shí)間縮短，汽泡更容易被流體帶走，抑制了汽泡的聚合和長(zhǎng)大，使流型更加穩(wěn)定，進(jìn)一步提高了傳熱系數(shù)。例如，當(dāng)質(zhì)量流量增加一倍時(shí)，沸騰傳熱系數(shù)可能會(huì)提高20%-30%。壓力對(duì)沸騰傳熱系數(shù)的影響較為復(fù)雜。在較低壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的升高，沸騰傳熱系數(shù)逐漸增大。這是因?yàn)閴毫ι呤沟靡后w的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容增大，同時(shí)汽泡的擾動(dòng)作用也有所增強(qiáng)，有利于熱量的傳遞。然而，當(dāng)壓力升高到一定程度后，沸騰傳熱系數(shù)會(huì)逐漸減小。這是由于壓力升高導(dǎo)致汽泡尺寸減小，汽泡脫離壁面的難度增加，傳熱效果變差。在壓力從0.5MPa升高到1.5MPa的過(guò)程中，沸騰傳熱系數(shù)先增大后減小，在1.0MPa左右達(dá)到最大值。沸騰傳熱系數(shù)還與蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流型密切相關(guān)。在泡核沸騰階段，汽泡的大量生成和脫離對(duì)邊界層產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，傳熱系數(shù)較高。隨著蒸汽含量的增加，流型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流，此時(shí)液體形成環(huán)狀液膜沿壁面流動(dòng)，蒸汽在中心區(qū)域流動(dòng)，傳熱主要通過(guò)液膜的蒸發(fā)進(jìn)行，傳熱系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)液膜逐漸變薄直至干涸時(shí)，進(jìn)入缺液區(qū)，傳熱系數(shù)會(huì)急劇下降，這是因?yàn)楦珊院蟊诿嬷苯优c蒸汽接觸，蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于液體，熱阻增大。通過(guò)對(duì)不同流型下沸騰傳熱系數(shù)的分析，可以更深入地理解蒸汽發(fā)生器內(nèi)的傳熱機(jī)理，為優(yōu)化蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。五、耦合換熱數(shù)值模擬結(jié)果與分析5.1一二次側(cè)溫度耦合特性5.1.1溫度變化趨勢(shì)通過(guò)數(shù)值模擬，獲得了直流式蒸汽發(fā)生器一二次側(cè)流體溫度隨空間位置的變化曲線(xiàn)，如圖5所示。從圖中可以清晰地看出，一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的溫度在整個(gè)蒸汽發(fā)生器內(nèi)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谡羝l(fā)生器運(yùn)行過(guò)程中，一次側(cè)液態(tài)金屬鈉作為熱源，將自身攜帶的熱量通過(guò)傳熱管壁傳遞給二次側(cè)給水，導(dǎo)致自身溫度不斷下降。在蒸汽發(fā)生器的入口處，液態(tài)金屬鈉的溫度為設(shè)定的入口溫度380℃，隨著其在管道內(nèi)流動(dòng)，與傳熱管壁進(jìn)行熱量交換，溫度逐漸降低，在出口處溫度降至350℃左右。二次側(cè)給水的溫度變化則較為復(fù)雜。在入口段，給水溫度較低，處于過(guò)冷水狀態(tài)，隨著工質(zhì)在傳熱管內(nèi)流動(dòng)，吸收一次側(cè)傳來(lái)的熱量，溫度逐漸升高。在預(yù)熱段，工質(zhì)主要通過(guò)單相液體強(qiáng)迫對(duì)流換熱吸收熱量，溫度升高較為緩慢。當(dāng)工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)段后，開(kāi)始發(fā)生沸騰現(xiàn)象，產(chǎn)生大量汽泡，此時(shí)工質(zhì)的溫度基本保持在飽和溫度不變，隨著蒸汽含量的增加，汽液混合物的焓值不斷增大。在過(guò)熱段，蒸汽繼續(xù)吸收熱量，溫度進(jìn)一步升高，成為過(guò)熱蒸汽。二次側(cè)給水在入口處的溫度為180℃，經(jīng)過(guò)預(yù)熱段后，溫度升高至280℃左右，進(jìn)入蒸發(fā)段后，在飽和溫度290℃左右保持一段時(shí)間，隨后進(jìn)入過(guò)熱段，溫度升高至310℃左右。從一二次側(cè)溫度變化趨勢(shì)可以明顯看出兩者之間存在緊密的耦合關(guān)系。一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的溫度變化直接影響著二次側(cè)給水的加熱速率和沸騰狀態(tài)。當(dāng)一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的溫度較高時(shí)，其與二次側(cè)給水之間的溫差較大，傳熱驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，二次側(cè)給水能夠更快地吸收熱量，溫度升高速度加快，沸騰現(xiàn)象也會(huì)更劇烈。反之，當(dāng)一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的溫度較低時(shí)，二次側(cè)給水的加熱速率會(huì)減緩，沸騰狀態(tài)也會(huì)受到抑制。例如，當(dāng)一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的入口溫度提高20℃時(shí)，二次側(cè)給水在蒸發(fā)段的蒸汽生成速率明顯加快，過(guò)熱段出口蒸汽的溫度也會(huì)相應(yīng)升高5-10℃。同時(shí)，二次側(cè)的沸騰和蒸汽生成過(guò)程也會(huì)對(duì)一次側(cè)的傳熱產(chǎn)生影響。當(dāng)二次側(cè)蒸汽生成量增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳熱管壁面的溫度分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響一次側(cè)液態(tài)金屬鈉與傳熱管壁之間的傳熱系數(shù)，使得一次側(cè)的溫度變化也受到一定程度的影響。5.1.2溫差分布通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了直流式蒸汽發(fā)生器一二次側(cè)之間的溫差分布云圖，如圖6所示。從云圖中可以清晰地觀察到，在蒸汽發(fā)生器的不同位置，一二次側(cè)之間的溫差存在明顯差異。在入口段，由于一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的溫度較高，而二次側(cè)給水的溫度較低，兩者之間的溫差較大，達(dá)到180℃左右。隨著工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器內(nèi)流動(dòng)，二次側(cè)給水不斷吸收熱量，溫度逐漸升高，一二次側(cè)之間的溫差逐漸減小。在蒸發(fā)段，二次側(cè)工質(zhì)處于沸騰狀態(tài)，溫度基本保持在飽和溫度不變，此時(shí)一二次側(cè)之間的溫差相對(duì)較小，約為60-70℃。在過(guò)熱段，二次側(cè)蒸汽繼續(xù)吸收熱量，溫度進(jìn)一步升高，但由于一次側(cè)液態(tài)金屬鈉的溫度也在不斷降低，兩者之間的溫差仍然保持在一定范圍內(nèi)，約為40-50℃。一二次側(cè)之間的溫差對(duì)換熱效率有著重要的影響。根據(jù)傳熱學(xué)原理，溫差是熱