运动条件下CHF机理模型开发

刘文兴

摘 要：针对运动条件下DNB型临界热流密度（CHF），在比对多种机理模型后基于微液层蒸干模型，引入运动条件在流通管道轴向和径向产生的附加力合附加加速度，开发了适用于运动条件的CHF机理模型，为浮动式核电站热工安全研究提供理论基础。

关键词：运动条件 临界热流密度（CHF） 微液层蒸干模型 机理研究

中图分类号：TL33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0003-03

浮动式核电站可为极偏远的近海地区提供稳定电力供应，并在海水淡化领域有良好应用前景。浮动式核电站建在受洋流作用而运动的海面平台上，海面产生的运动将对核反应堆堆芯临界热流密度限值这一热工安全准则产生影响，使其相对于陆地上静止条件下临界热流密度发生变化，因此从核反应堆热工安全角度考虑，必须对运动条件下临界热流密度特性进行研究。运动条件的影响体现在它会产生一个附加加速度场，管道内的流体将处于重力加速度场和该附加加速度场的叠加场中。对几种汽泡壅塞模型和微液层蒸干模型进行详细的研究和对比后，采用Lee和Mudawar[1]的微液层蒸干模型在机理上考虑附加力和附加加速度对于CHF的影响，对运动条件下CHF特性进行研究。

1 机理模型及验证

1.1 模型构建

微液层蒸干模型假设加热壁面附近产生的小汽泡结合形成大汽块，在汽块下存在非常薄的液相层，称为微液层。汽块移动过程中，当汽块下的液相全部蒸发烧干的时候，该点处的加热壁面被单相蒸汽覆盖从而导致传热恶化，进而导致DNB发生。因此DNB型CHF可以表达为如下形式：

（1）

式中，δ表示汽块下微液层厚度/m；UB表示汽块移动速度/m·s-1；LB表示汽块长度/m。

这三个参数是求解微液层蒸干模型的关键参数，不同的研究者提出不同的δ和UB求解方法和步骤，但都使用汽块长度等于Helmholtz临界波长的假设来求解LB[1-8]（图1）。

模型主要假设包括：①假设每个汽块的当量直径等于壁面上汽泡脱离点处的汽泡直径DB；②当汽块下微液层完全蒸干时，该点处的加热壁面被单相蒸汽覆盖，这时传热发生恶化从而达到临界热流密度。

该模型中汽块移动速度UB通过轴向方向施加在汽块上的浮力和拖拽力二力平衡计算得到（式（5）），微液层厚度δ通过径向方向施加在汽块上的力的平衡来确定（式（11））。

不同运动条件将产生的附加加速度场可分解到流道轴向和径向方向。轴向加速度场影响汽块轴向浮力FBa，进而对汽块的移动速度UB产生影响；径向加速度场使汽块在垂直于流动方向受到额外浮力FBr，该浮力将打破蒸发力FE和侧面提升力FL等力之间原有的平衡并建立新的平衡，汽块产生径向移动从而使汽块下微液层的厚度δ发生变化。汽块受力示意图见图2。

（2）

（3）

（4）

以上各式中，DB表示汽块当量直径/m，由Levy[9]模型计算；θ表示管道倾斜角度/°；CD表示拖拽系数/[-]，由Chan和Prince[10]推荐的适用于高压条件的关系式计算；UBL表示汽块中心线所处的径向位置处的主流速度/m·s-1。（UB-UBL）表示汽块相对主流的移动速度。

联立式（2）～（4），汽块速度可以表达成如下形式：

（5）

当地流速UBL用Karman速度分布方程确定。汽块的长度LB为Helmholtz临界波长：

（6）

微液层的厚度δ由径向方向施加在汽块上的力的平衡来确定（图2），静止条件下汽块主要受两个力[1]，分别为液相蒸发产生的蒸发力（7）和径向速度梯度导致汽块旋转从而产生的侧面提升力（8）[11]。运动条件下，由于气泡处在径向附加加速度场中受到径向浮力FBr（9），蒸发力与径向浮力将推动汽块远离加热壁面，而侧面提升力则由于汽块旋转使汽块靠近壁面，因此径向力的平衡可以表达为式（10）。

（7）

（8）

（9）

（10）

联立式（9）～（10），结合相应的本构方程推导得δ表达式：

（11）

求出δ、UB和LB以后，代入式通过迭代计算得到临界热流密度值。

1.2 程序开发

基于所开发模型，使用标准FORTRA

N90程序语言，开发了运动条件下CHF分析程序，程序采用模块化结构，主要包括：输入模块、数理模型模块、物性模块和输出模块等。

对于给定的流通管道几何尺寸和进口条件，计算时先假设一个初始的热流密度值qm，然后计算δ，UB和LB等参数，最后通过式计算临界热流密度，当计算的qCHF与假设的qm相同时达到收敛；否则改变qm值并重新迭代直到收敛。

1.3 模型验证

利用所开发模型，对静止和倾斜条件下获得的临界热流密度实验数据进行计算，结果如图3和图4所示。图3为竖直静止条件下不同通道和不同工况的CHF计算值与实验值对比，实验数据共80个，预测精度±20%；图4为倾斜条件下不同通道和不同倾角的CHF计算值与实验值对比，实验数据共66个，预测精度±20%。运动条件的主要影响是在流道轴向和径向产生附加外力，由实验值与计算值的对比可见，该模型在不同流道、不同工况和不同倾角条件下，对静止条件下CHF具有较好的预测能力，同时能够正确的反应运动条件下引入的轴向和径向附加加速度场产生的影响。

2 结语

针对运动条件下临界热流密度，基于微液层蒸干模型开发了DNB型CHF的机理模型并进行了模型验证，模型具有明确的物理意义，良好的扩展性和较高的预测精度，同时将附加加速度场分解到轴向和径向使得该模型可以扩展到不同形式运动条件应用。endprint

参考文献

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