1、窄矩形通道內(nèi)的CHF機理模型研究
核電工程技術(shù)研究中，臨界熱流密度（CHF）是影響核電廠經(jīng)濟與安全運行的關(guān)鍵參數(shù)，因此了解窄矩形通道的CHF特性及探明CHF的發(fā)生機理，在進行反應堆安全分析和設(shè)計時尤其重要。為了深入研究窄矩形通道內(nèi)臨界熱流密度發(fā)生機理及熱工參數(shù)對CHF的影響，重慶大學科研團隊通過千眼狼高速攝像機搭建可視化實驗平臺，進行窄矩形通道中的CHF實驗，觀測通道內(nèi)汽泡運動過程和沸騰傳熱現(xiàn)象，進一步研究窄矩形通道內(nèi)的CHF發(fā)生機理。（詳情可見《基于汽泡動力學特性的窄矩形通道內(nèi)的CHF機理模型》）
2、CHF實驗方法
此次實驗中設(shè)計并搭建了如圖1所示的可視化實驗平臺。該平臺主要由一次側(cè)實驗回路系統(tǒng)和二次側(cè)回路系統(tǒng)組成，其中系統(tǒng)通過高速攝像機觀察汽泡運動和沸騰過程，記錄汽泡生長周期。
3、新建CHF機理模型
汽泡行為不僅受流動通道和加熱壁面條件的限制，系統(tǒng)壓力、氣液流速、壁面溫度和流體溫度等都會對其產(chǎn)生影響。圖2顯示完整的汽泡周期信息，在汽泡生長周期中根據(jù)核化點是否有汽泡存在分為兩個階段：核化點處汽泡生長的生長階段和孕育汽泡的等待階段。當汽泡從加熱壁面脫離后，核化點需要為下一個汽泡的產(chǎn)生做準備，直到下一個核化點汽泡產(chǎn)生后重復如上的汽泡周期。
通過可視化實驗平臺，科研團隊發(fā)現(xiàn)在窄矩形通道中有兩類汽泡，即浮升型汽泡和滑移型汽泡，在核態(tài)沸騰以及發(fā)生CHF時，兩類汽泡也表現(xiàn)出不同的運動特性，因此實驗建立了一個基于窄矩形通道中汽泡動力學特性的CHF機理模型。
4、熱流密度的計算
1/4.浮升型汽泡熱流密度
浮升型汽泡在核化點產(chǎn)生，汽泡壽期僅有幾毫秒，滑移距離僅為幾毫米，即汽泡壽期的運動距離較小但是直徑變化速率大。汽泡整個生長周期可分為生長階段和冷凝階段。在生長階段時，汽泡直徑逐漸增大，在達到最大值后由于在過冷液體中的冷凝 而迅速塌陷。汽泡從加熱壁面獲得能量不僅要維持自身生長，而且要有一部分能量抵消汽泡頂部的冷凝換熱，可以看出冷凝換熱是通過汽泡作為媒介，是一種向冷流體輸送能量的方式。本次實驗主要關(guān)注加熱壁面上的熱流密度，因此浮升型汽泡的熱流密度僅包括蒸發(fā)熱流密度，其關(guān)系式為：
當熱流密度較小時，浮升型汽泡獨立生長，生長行為不受相鄰汽泡的影響；當熱流密度較大時，加熱壁面過熱度高，活化成核點更多，導致單個汽泡成核位置占據(jù)面積變小。如果單個成核點所占的面積（1/N）小于汽泡最大面積（A），則需考慮汽泡間的相互影響。用如下定義的因子來考慮熱流密度較高時上述效應的影響：
當1/N>A時，加熱壁上成核位置間距離大，浮升型汽泡行為彼此獨立，不會受到其他汽泡的干擾。
2/4.滑移型汽泡熱流密度
滑移型汽泡比浮升型汽泡具有更長的汽泡壽命周期、更長的滑移距離以及更小的直徑變化速率；同時滑移型汽泡始終與加熱壁面接觸，即汽泡一直處于生長階段，直徑始終在緩慢增加。對于浮升型汽泡來說，不僅包括汽泡生長的蒸發(fā)熱流密度，還包括汽泡從原位置脫離周圍流體補充的瞬態(tài)導熱熱流密度，即：
其中k是指汽泡沿加熱壁滑動時的汽泡影響面積因子；l為汽泡滑動距離。對于小于t的時間，瞬態(tài)導熱占主導地位，這時的瞬態(tài)導熱可表示為：
滑移型汽泡數(shù)量會隨著熱工參數(shù)的變化，當熱流密度逐漸增加，汽泡數(shù)目增加，單個汽泡在加熱壁上的投影面積減小，汽泡之間的距離減小。汽泡離開原來的位置并滑動一段距離l，可能會與滑動路徑中遇到的其他汽泡聚合。可采用滑移汽泡衰減因子來描述這一現(xiàn)象：
當D
在汽泡等待時間內(nèi)，熱邊界層逐漸變厚，直至完全形成。根據(jù)熱傳導理論，瞬態(tài)導熱系數(shù)隨時間的增加而減小，但對流換熱系數(shù)與時間無關(guān)。因此，存在某一時刻使瞬態(tài)導熱系數(shù)等于對流系數(shù)，圖3可以說明這兩個換熱系數(shù)之間的關(guān)系。單相對流傳熱的區(qū)域包括兩部分：第一部分始終處于單相的對流傳熱，即在總加熱區(qū)域中除汽泡影響區(qū)外的區(qū)域；第二部分位于汽泡影響區(qū)域，即由于瞬態(tài)導熱隨時間的衰減，單相對流傳熱占主導地位的區(qū)域。
為進一步驗證所提模型的合理性，圖4研究了質(zhì)量流速對CHF的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CHF隨質(zhì)量流速增加而增加，預測結(jié)果與實驗結(jié)果一致。
6、總結(jié)
實驗提出了一種適用于窄矩形通道的CHF機理模型，該模型通過高速攝像機可視化觀察的實驗現(xiàn)象和物理機制出發(fā)，解釋了沸騰危機發(fā)生的機理。（此文源自重慶大學科研團隊）
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