脉冲加热条件下管内两相流密度波不稳定性研究

Pulsed energy release is the inherent characteristics of the future inertial confinement fusion/fusion-fission hybrid reactor energy system. The pulse heating boundary condition caused by pulsed energy release in the cooling blanket may be coupled with density wave oscillation of two-phase flow, which may form a new type dynamic two-phase flow instability phenomenon. However, the oscillation characteristics and instability boundary of this new compound flow instability is not clear yet, which brings unknown and uncertainty effectiveness to the thermal hydraulics design for pulsed energy release system. In this project, an experimental system for density wave oscillation under pulse heating conditions will be developed, and the intrinsic relationship between density wave pulse characteristics and operating parameters, including mass flow rate, system pressure, inlet sub-cooling and pulse heating parameters will be revealed experimentally. Meanwhile, a mathematical model for two-phase flow under pulse heating condition based on the two-fluid model will be established by modifying the closure equations. Then the numerical simulation analysis for density wave oscillation generation mechanism and evolution law will be conducted. The instability boundary will be given by combining experimental data and numerical results. The research may enrich and develop the theory of two-phase flow instability.

脉冲释能是未来基于惯性约束的聚变或聚变-裂变混合堆能源系统的固有特征，其在冷却包层中形成的周期性脉冲加热边界条件与两相流密度波不稳定机制相耦合，可能会形成新的两相流不稳定现象。而目前针对这种新型复合动力学不稳定现象的研究缺乏，对其脉动基本特征、关键影响因素以及不稳定边界的认知尚不清楚，给脉冲释能型能源系统热工水力学设计带来未知和不确定因素。本项目拟构建脉冲加热条件下的两相流不稳定测试系统，通过实验研究阐明包括脉冲热负荷特征参数、质量流速、压力以及入口过冷度在内的诸多影响因素与密度波脉动特性间的内在关系；同时，从两相流基本理论出发，修正双流体模型封闭方程，建立能适用于脉冲加热条件下的两相流数学模型。并以此为基础，通过数值模拟手段分析脉冲加热条件下密度波不稳定的产生机理与演化规律，结合实验数据给出其不稳定边界。本项目研究成果有望加进一步丰富和发展两相流不稳定性理论。

惯性约束的聚变或聚变-裂变混合堆是以周期性脉冲形式释放能量，在冷却包层中易于诱发流动不稳定现象，掌握脉冲加热条件下冷却剂流动不稳定基本特性及其关键因素影响规律，对惯性约束聚变能源系统的后续发展有着重要意义。本项目对脉冲加热条件下管内流动不稳定性开展详细研究，主要研究内容和重要结果如下：. （1）研制了脉冲加热两相流密度波不稳定实验台。该实验台设计压力17.5MPa，设计温度350℃，最大流量700kg/h，预热段功率70kW，实验段可实现峰值功率110kw、周期1~20s连续可调，占空比同周期可调的脉冲加热，完全满足相关实验需求。. （2）构建了脉冲加热条件下两相流流动换热模型，并对脉冲加热条件下的垂直上升管进行了数值模拟，详细分析了脉冲加热平均功率、占空比、周期等脉冲特征参数对管内流动换热特征的的影响，阐明了宽参数范围下流动不稳定的演化规律及典型发展阶段。研究结果表明，随着脉冲加热功率的增加，管内流动可划分为四个阶段（A~D），分别为流量微幅波动的过冷流动(A)、流量低振幅的泡核沸腾两相流动(B)，流量高振幅的两相液膜换热强制对流(C)以及流量高频震荡的过热蒸汽流动(D)；增大周期有利于提高流动的稳定性，减小占空比会加剧冷却液流动的不稳定。减小流量、减小过冷度以及减小系统压力，将促使流动阶段由A向D转变，流量震荡加剧。. （3）研究了脉冲加热条件下流动不稳定的发生机制，结果表明脉冲加热本身或脉冲加热与密度波振荡(DWO)的结合是引起振荡的主要原因；发现三种典型不稳定现象，分别为脉冲加热驱动的单相振荡、脉冲加热驱动两相振荡以及脉冲加热复合密度波不稳定；由于脉冲加热条件下热工参数一直动态变化，因此使用过冷度数和相变数的流动不稳定图无法定量描述脉冲加热下的不稳定边界。. 本项目研究成果进一步丰富和发展了两相流不稳定理论，对未来脉冲释能形式的能源系统热工水力设计具有指导意义。