螺旋管内汽液两相流流动机理及计算模型研究

Drift-flux model is designed for system scale simulation of two-phase flow process and widely used for flows in rod bundles or straight tubes because of its accuracy and simplicity. However, the parameters of drift-flux model should be studied further when used for helically coiled tubes. The objective of this research is to obtain these parameters for helically coiled tubes through multi-scale experiments and CFD simulations. The strategies that will be used in this research are the followings: to build the preliminary model through air/water experiments and CFD simulation, then to fix the model through the steam/water experiments of steam generator (SG) of High Temperature Gas-Cooled Reactor (HTGR). To accomplish this research, there are five steps should be done: 1. get the flow regimes and its transitions rules and give a detailed insight to the two-phase flow process, based on the air/water experiments and CFD simulations; 2. build the preliminary model for distribution parameter and drift flux based on the analysis of mechanisms of phase interaction; 3. develop the thermal-hydraulics code for SG and predict the experiments; 4. fix the model through the comparison of predictions and experiments; 5. predict the dynamical behavior of SG based on the new model. This research, directed by HTGR technology, is one of the fundamental subjects in two-phase flow research and has both theoretical and practical significances.

飘移流模型是汽液两相流的系统尺度计算模型，稳定性好且精度高，被广泛应用于直管内和棒束间的两相流计算。然而用于螺旋管的漂移流模型仍为空白。本课题目标是采用多尺度实验及数值模拟的方法构建此模型。研究思路为：通过空气/水实验和CFD 模拟研究流动机理并初步构建模型；通过高温气冷堆蒸汽发生器（SG）蒸汽/水实验修正模型。将完成：1.建造气/水实验装置，结合CFD 数值模拟，分析螺旋管条件下两相流动机理、流型特点及其转换规律，建立清晰的物理图象；2.分析螺旋管条件下各相所受作用力，建立漂移流模型中分布参数和漂移速度的初步表达式；3.编制SG 动态分析程序，对SG 实验结果进行预测；4.将程序预测结果与SG 实验数据对比，修正模型参数并提出最终表达式；5.将分析程序用于SG 动态特性分析。本课题是从工程技术中抽象出来的基础理论研究，是对两相流研究的补充与发展，其结果具有重要的学术价值和应用价值。

蒸汽发生器和锅炉是工业领域非常重要的设备，被广泛应用于化工、能源、制冷和食品加工等多个领域。其中，很多蒸汽发生器和锅炉采用螺旋管作为传热的基本单元。这种传热元件具有四个优势：1.结构紧凑；2. 吸收热应力能力强；3. 传热系数高；4. 易于消除两相流流动不稳定。然而，由于离心力的影响，螺旋管内的流动换热过程比较复杂（尤其是两相流）。目前研究仍主要集中于流动阻力和传热系数等宏观规律，而对于局部相界面分布特性、输运特性和计算模型的研究还不够充分。本课题采用多尺度实验结合数值模拟的研究方案，对螺旋管内气液两相流的基础问题展开了研究。首先建立了基于电导探针和高速摄影的两相流机理实验平台。然后基于此平台开展了流型的研究，在较大范围内观测了螺旋管内不同流型的相界面分布特征，首次提出螺旋管内存在6种流型（泡状流、塞状流、弹状流、波状流、环状流和弹-环流），并给出客观、非视觉的流型判别依据，在此基础上给出了完整的流型图；分析了各种流型的转换机理，揭示了泡状流向弹状流或塞状流转换的两种不同机理，给出了涵盖螺旋管和倾斜直管的流型边界预测公式。进一步，对各种流型的相界面特征展开了详细研究，通过数值计算和机理实验，获得含气率、相界面浓度等重要两相流参数。开发了高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工计算程序，为蒸汽发生器设计和安全分析提供了计算手段。利用此程序，对高温气冷堆紧急停堆后堆芯冷却过程中关键设备的传热传质过程进行了动态数值模拟，提出了适用于我国高温气冷堆的冷却方案，并应用于世界上第一个商用高温气冷堆示范堆。本课题完成了课题任务书中的各项内容，在两相流基础研究和工程应用上都取得一定成果。