基于加热壁面能量平衡的窄矩形通道内CHF机理模型_闫美月.pdf

文章编号：0258-0926(2023)02-0043-05;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0043基于加热壁面能量平衡的窄矩形通道内CHF 机理模型闫美月1,2，邓坚3，潘良明1,2*，马在勇1,2，李想1,2，万灵峰1,2，何清澈1,21.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆，400044；2.重庆大学核工程与核技术系，重庆，400044；3.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610213摘要：窄矩形通道因具有结构紧凑、换热面积大等优点而被广泛应用于各个领域。通过完善窄矩形通道中临界热流密度（CHF）的预测方法，建立 CHF 机理模型，可以提高反应堆的安全性和经济性。本文对窄矩形通道内竖直向上流动 CHF 进行了可视化实验研究，在此基础上开发了一种基于加热壁面能量平衡的CHF 机理模型，并提供一组本构关系用于封闭所开发的新模型，同时使用实验数据对新模型进行对比评价，对比结果发现，新模型在窄矩形通道中模拟结果良好，偏差基本都在20%之间。关键词：窄矩形通道；临界热流密度（CHF）；能量平衡；机理模型中图分类号：TL334文献标志码：ACHF Mechanism Model in Narrow Rectangular Channel Basedon Energy Balance on Heating WallYan Meiyue1,2,Deng Jian3,Pan Liangming1,2*,Ma Zaiyong1,2,Li Xiang1,2,Wan Lingfeng1,2,He Qingche1,21.Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing,400044,China;2.Department of Nuclear Engineering and Technology,Chongqing University,Chongqing,400044,China;3.Science andTechnology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China,Chengdu,610213,ChinaAbstract:Narrow rectangular channel is widely used in various fields because of its compactstructure and large heat transfer area.The safety and economy of reactor can be improved byimproving the prediction method of critical heat flux(CHF)in the narrow rectangular channel andestablishing a CHF mechanism model.In this paper,a visual experimental study is conducted on theCHF flowing vertically upward in a narrow rectangular channel.On this basis,a CHF mechanismmodel based on the heating wall energy balance is developed.A set of constitutive relations areprovided to close the developed model,and the experimental data are used to compare and evaluatethe new model.The narrow rectangular channel and it has good accuracies of less than 20%asrelative to the experimental values.Key words:Narrow rectangular channel,Critical heat flux (CHF),Energy balance,Mechanism model 收稿日期：2022-06-10；修回日期：2022-07-25基金项目：国家重点研发计划（02120023710003）；重庆市研究生科研创新项目（CYB21023）作者简介：闫美月（1993），女，博士研究生，现主要从事沸腾传热和两相流相关研究，E-mail:*通讯作者：潘良明，E-mail: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023 0 引言临界热流密度（CHF）是影响核电厂经济与安全运行的关键参数1-2。与其他传统通道相比，窄矩形通道具有紧凑的结构和较大的换热面积，从而有着广泛的应用前景3，因此一些特殊的反应堆将冷却剂流动的通道设计为窄矩形结构。因此，了解窄矩形通道的 CHF 特性并探明 CHF 的触发机理，在进行反应堆的安全分析和设计时尤其重要4。CHF 通常分为发生在饱和沸腾中的干涸（Dryout）型 CHF 以及发生在过冷沸腾中的偏离泡核沸腾（DNB）型 CHF。对于 Dryout 型CHF 目前普遍认为形成机制与液膜蒸干有关5。过冷沸腾下的 CHF 是一个非常复杂的现象，其与壁面及流体温度场、流场等都有耦合作用。迄今为止，有大量过冷沸腾下 CHF 机理模型，其中，目前应用最为广泛的是 Mudawar6提出的微液层蒸干模型（该模型认为大量汽泡聚合产生会形成汽泡弹，当汽泡弹底层的液体被蒸干时发生 CHF），以及 Weisman7提出的汽泡壅塞模型（该模型认为加热壁面上产生大量汽泡，当空泡份额达到一定值，主流液体无法通过致密汽泡层到达加热面进行冷却时发生 CHF）。现有 CHF 机理模型大部分是基于理论推导，少部分基于少量的可视化证据所提出的模型有其特定的使用条件。提出的模型仅针对某一特殊工况或者流型，不具有普适性，而实际运行条件下发现 CHF 可以在多种流型下发生。同时现有CHF 模型没有体现出窄矩形通道内汽泡动力学特点。因此本文深入探究窄矩形通道内过冷沸腾中汽液运动特性和 CHF 触发机理，基于窄矩形通道内 CHF 实验，将 CHF 机理模型与窄矩形通道内可视化实验结果联系起来，建立一个能够预测窄矩形通道中 CHF 的机理模型。同时本文提供一组本构关系封闭该模型，并使用窄矩形通道中产生的 CHF 数据对该模型进行对比评估。1 窄矩形通道内 CHF 实验为了准确获得窄矩形通道在不同工况下的CHF 值，同时观察汽液两相从单相到沸腾危机的演变过程，设计并搭建了如图 1 所示的实验回路，主要包括主回路、冷却回路、水补充回路，窄矩形可视化实验段被设计为单面加热，加热材料为不锈钢，通道中工质竖直向上流动，高速摄影仪 Revealer X113 可以从宽边角度记录通道内汽泡行为。图 1 实验回路示意图Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Loop 实验参数如表 1 所示。表 1 实验参数及取值范围Tab.1 Experimental Parameters and Value Range参数名参数值实验压力psys/MPa14窄矩形通道宽度/mm3加热长度L/mm600质量流速G/kg(m2s)13502000入口过冷度Tin,sub/K60120工质去离子水 2 加热壁面能量平衡的 CHF 机理模型 2.1 模型机理根据窄矩形通道 CHF 可视化实验结果可以发现，在临近 CHF 发生时存在汽区和液区交替出现的情况，如图 2 所示。当加热壁面的核化区有汽泡产生时，核化区无法与冷流体接触，因此 图 2 CHF 发生时可视化结果Fig.2 Visualization Result when CHF Occurs44核 动 力 工 程Vol.44 No.2 2023 核化区区域温度上升，加热壁面温度增加量记为 Tw+；当汽泡离开核化区，液相与核化区接触，核化区温度下降，加热壁面温度减小量记为Tw。当 Tw+|Tw|，加热板上核化区对应的温度不断上升，最终会导致 CHF 发生，加热壁面温度波动情况如图 3 所示。图 3 =3 mm、psys=1 MPa 时加热壁面温度情况Fig.3 Temperature of Heating Wall at =3 mm、psys=1 MPat加热时间；Tw壁面温度 根据可视化结果和加热壁面温度波动可知：当加热壁面发生两相变化时，对于加热壁面某一核化区来说，会存在 2 个典型阶段：当核化区中有汽泡产生，此时核化区对应位置的温升取决于外界流入核化区的热流密度以及核化区向汽泡流出的热流密度（蒸发热流密度）；当其汽泡脱离核化区，周围冷流体流进原核化区时，原核化区的能量平衡取决于外界流入的能量以及加热壁面向流体流出的能量（淬冷换热热流密度和单相对流换热热流密度）。2.2 模型推导 2.2.1 壁面与汽相接触时温度增加量核化区产生汽泡时，汽泡对应的核化区温度逐渐上升，此时汽泡对应加热壁面处的热平衡方程为：scr2bwcpwdT+wdt=r2bqcr2bqe（1）式中，rb为汽泡半径，m；qc和 qe分别为加热板临界热流密度和蒸发热流密度，W/m2；sc为温度变化距离，m；cpw为加热壁面定压比热容，J/(kgK)；w为加热壁面密度，kg/m3。在发生 CHF 时，加热壁面上表面的温度突然升高，在厚度方向上为非稳态导热，温度逐渐wtb变化，随着时间的推进，温度变化距离理论表达式为，但由于受到加热板本身厚度的限制，因此实际距离为：sc=min(wtb,w)（2）式中，w为加热板厚度，m；w为加热壁面热扩散率，m2/s；tb为核化区汽泡存在时间，s。对于核化区来说，温升取决于流入核化区的热流密度以及核化区流入汽泡的蒸发热流密度，实际上流入汽泡的蒸发热流密度还应包括汽泡向周围流体的冷凝换热，但是由于窄矩形通道窄缝宽度的制约，同时 CHF 发生时液体过冷度较小，因此忽略这部分冷凝换热。同时在窄矩形通道中加热壁面形成的汽泡会受到上表面的限制，因此并不是规整的球体，尤其是在热流密度较高时，汽泡尺寸较大，这种制约效果越明显，此时汽泡类似于鼓型，因此 qe为：qe=r2brbhfgvr2btb（3）式中，hfg表示汽化潜热，J/kg；v为蒸汽密度，kg/m3。对式（1）在气泡存在时间内进行积分并整理后可得：T+w=qcr2brbhfgvr2btbwcpwsctb（4）2.2.2 壁面与液相接触时温度减小量当核化区的汽泡脱离，周围冷流体补充，此时原核化区的热量平衡方程为：scr2bwcpwdTwdt=(r2bqcr2bqfcr2bqtc)（5）式中，qfc和 qtc分别为单相对流换热热流密度和淬冷换热热流密度，W/m2。qfc=hfc(TwTl)（6）qtc=l(TwTl)lt（7）式中，l为液体导热系数，W/(mK)；hfc为单相对流换热系数，W/(m2K)；Tw 和 Tl分别为壁面温度和液相温度，K；l为液相热扩散率，m2/s。对式（5）在液相存在时间内积分整理后可得：Tw=hfc(TwTl)+2tl(TwTl)ltqcwcpwsctl（8）闫美月等：基于加热壁面能量平衡的窄矩形通道内 CHF 机理模型45 t式中，tl为核化区液相存在时间，s；为淬冷换热有效作用时间，s。如前分析可知，加热壁面发生 CHF 的判定标准为 Tw+=|Tw|，从而得到 qc计算公式为：qc=1tbh