水平管内流动沸腾不稳定性特征及其调控研究

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流动沸腾不稳定是一种常见的管内汽液两相流现象，对工业设备的安全运行存在着诸多不利影响，通常在火电、核电、制冷剂系统等热负荷与质量流率较大的竖直管中较为显著，而在以太阳能直接蒸汽发生系统（DSG）水平集热管为代表的低热流（几百至几千W/m2）、低质量流率（几十kg/m2s）场合也不容忽视，由于不同于竖直管，低质量流率条件下的水平管内流动沸腾不稳定伴随着明显的汽液分层，加剧了管壁轴向与周向温差，更易引发热应力破坏，管道蒸干甚至烧毁等严重问题。因此，本文对水平管内低热负荷、低质量流率条件下的流动沸腾不稳定现象特征与调控抑制展开研究，具有重要的实践意义和应用价值。
　　为了厘清低热流、低流速下流动沸腾不稳定特征，本文首先设计、搭建了水平管流动沸腾实验系统，实验研究了工况参数以及系统特性对不稳定现象的影响规律，得到了工况范围内无量纲不稳定性边界图，结果指出：流动沸腾不稳定现象对旁通流量调节阀较为敏感，旁通阀开度较大时，系统参数波动更为剧烈；热负荷越大、过冷度越小时，参数波动幅度越大，但过冷度对壁温的影响呈非线性。
　　此外，水平管内低热负荷低质量流率条件下发生流动沸腾不稳定现象时，相比于下半管，上半管壁温更高且波动更为剧烈；且相比于饱和沸腾段，入口过冷沸腾段壁温波动振幅更大，二者做反相波动，更易增大轴向温差。
　　在此基础之上，以主动改变热负荷分布方式与在实验段（铜管）外加装石墨蓄热套管为调控手段，采用对比实验的方法进一步研究了其对流动沸腾不稳定现象的调控作用，结果表明：（1）、高过冷度下，采用沿流动方向热负荷逐渐递增的加热方式，压降特性曲线的负斜率段斜率较小，对壁温波动改善明显，低过冷度下无明显影响。因此，过冷度较大时，采用该种方式不仅能抑制流动沸腾不稳定现象，还能在一定程度上降低管内发生沸腾不稳定现象时的压降。（2）、在实验段（铜管）外加装石墨蓄热套管能起到均匀管壁温差的作用，相比于光管，加装6mm壁厚与加装12mm壁厚石墨套管的入口段周向截面温差分别下降了44.79％与33.99%，轴向温差分别下降了13.74%与19.84%，与此同时，加装石墨套管有助于抑制流动沸腾不稳定性，且在一定程度上改善了管内的流动沸腾传热特性。

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作者
王宇飞;
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作者单位

浙江大学;

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授予单位浙江大学;
学科工程热物理
授予学位硕士
导师姓名俞自涛;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类传热学;热管;
关键词
水平集热管; 汽液两相流; 流动沸腾不稳定; 强制循环; 热负荷分布; 调控抑制;

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