关键词:
沸腾传热
近壁汽泡动力学
共轭传热
临界热流密度
汽泡相互作用
干斑动力学
摘要:
来自等离子体的高热负荷威胁着聚变堆传热组件的安全性能,准确预测和评价临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF)有助于提升聚变堆的可靠性和经济性。实验研究和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析是评价CHF的两种主要手段。近年来的实验研究表明,导致CHF的关键因素是不可逆干斑的出现,其触发机制仅与加热表面附近的微流体动力学有关。然而,现有的双流体模型在阐明汽泡微观结构及其行为模式对沸腾危机作用机制的适用性方面存在不足,因此,本文基于理论分析和实验数据验证,旨在发展能够纳入汽泡微观结构并多尺度建模核态沸腾的数值分析框架。其核心思路在于分离宏观两相流体动力学,通过近壁处的汽泡动力学和共轭传热建模来研究沸腾换热并预测CHF。
首先,本文为了观察静止和滑动两种情形下的汽泡动力学行为模式及其动力学参数特征,开展了池式沸腾和流动沸腾可视化实验研究,分析结果揭示了汽泡动力学参数的影响规律,为动力学模型构建和验证提供数据支持。
其次,本文针对孤立汽泡动力学占据主导的核态沸腾阶段,构建了单汽泡动力学数值模型。该模型以活性成核点和汽泡为基础模拟单元,考虑了汽泡生长、颈缩脱离、汽泡等待和汽泡滑动等子过程,动态演化二维壁面上的汽泡信息。在此基础上,开发了与动力学模型相匹配的共轭传热数值模型及程序,揭示了壁面温度和热流的动态特征。
再次,在单汽泡动力学模型的基础上,构建了多汽泡相互作用动力学和共轭传热模型。该模型纳入成核点间的热相互作用,汽泡合并作用和流体动力相互作用,揭示了相邻成核点的蒸发抑制机制和汽泡密度的饱和性,结合模拟统计参数修正热流分配(Flux Heat Partioning,FHP)模型,准确预测了干斑出现前的沸腾传热曲线,揭示了壁面温度和热流的波动特征。
然后,为了预测CHF,本文构建了干点-干斑动力学模型。该模型以成核点和干点为基础模拟单元,纳入了干点扩张、干点合并、干斑收缩和滑动等子模型,动态描述了近CHF阶段的干点和干斑动力学特征,结合模拟统计参数拓展FHP模型,准确预测了CHF。在此基础上开发了匹配的共轭传热模拟程序,稳态模拟结果阐明了不同尺度下干斑的壁面传热特征,瞬态模拟结果揭示了不可逆干斑的形成原因和沸腾危机的诱发机制。
最后,为了应用于聚变堆高压过冷流动环境下的CHF预测,进一步测试并修正了高压流动环境下的汽泡动力学参数。结果显示,扩展动力学模型的CHF预测结果与高压下实验数据的平均相对偏差不超过20%,预测模型可为聚变堆组件热工水力设计及安全分析提供参考和工具。