（核能科学与工程专业论文）强内热源多孔介质条通道流动换热实验技术研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g e x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g y f o rs t u d y i n g h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fp o r o u s m e d i ac h a n n e l sw i t hs t r o n gi n t e r n a lh e a t s o u r c e c a n d i d a t e ：d i n gt o n g w e i s u p e r v i s o r ：s u nz h o n g n i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： n u c l e a rs c i e n c e e n g i n e e r i n g d a t eo f s u b m i s s i o n ： j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：了钢钨 日期： 磊口年弓月6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可啦授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 丁白习孑声导师( 签字) ：烈、牢j 日期：勿夕年；月舌日 2 - , 0 10 年多月锣日 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 球床水冷核反应堆是一种将球形核燃料元件的优点与成熟水冷堆技 机结合起来的新概念反应堆，具有很高的经济性和安全性。本文在球床 堆的背景下，设计了强内热源多孔介质条通道强迫流动换热实验台，进 相关的实验技术研究，并通过实验研究了功率分布和换热特性。 本实验台以蒸馏水为作为流动介质，流道内填充表面氧化的不锈钢 球，采用非接触式电磁感应加热方式为金属球提供强大、连续、可控的 源，是真正意义上的强内热源多孔介质通道强迫流动换热实验台。 由于感应电流的集肤效应，多孔介质内的温度场分布很不均匀，为 测这种不均匀性，本文通过有限元分析软件中的电磁热三场耦合方 法，建立了多孔介质模型并模拟了多孔介质在电磁场内绝热、无对流换热情 况下的温度场分布情况，通过模拟的结果掌握了实验段内的多孔介质发热情 况，分别从电流透入深度与半径的关系、磁场强度、材料性质、结构设计四 个方面提出了一些解决这些问题的方法，并改进了实验台设计，并非简单地 移植工业上应用的电磁感应加热方式。 根据实验的要求，计算了各种工况下主要设备的参数，依据中华人民共 和国机械行业标准j b t 8 1 9 4 设计了汽水换热器、水水换热器、加 热器、汽水分离器等设备，并完成了实验系统的总体设计及安装调试。 鉴于强内热源多孔介质通道强迫对流换热情况可视化的要求，本文对实 验台进行了可视化及密封装置的设计，在保证实验台原有功能的情况下，增 强了实验台的可视化功能，便于进行后续的流型及气泡观测等实验。 通过实验研究，采用分区法进行局部功率计算，拟合了3 0 k w 及1 5 k w 加载功率下雷诺数与换热系数的关系式。通过实验得知在常压下功率对换热 系数没有明显影响，平均换热系数随着r e 的升高快速增加，入口效应对换 热系数也存在巨大影响。用f l u e n t 软件模拟了多孔介质的流动换热情况，换 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 热系数与实验值相比误差小于8 。 关键词：强内热源：多孑l 介质；电磁感应加热；数值模拟；可视化 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e r - c o o l e dp e b b l e b e dr e a c t o ri san e wc o n c e p t i o n a lr e a c t o rw h i c ho w n s t h ee x c e l l e n c e so ft h es p h e r i c a lf u e la n dt h ew a t e r - c o o l e dr e a c t o r i ti sv e r ys a f e a n de c o n o m i c a l o nt h eb a c k g r o u n do fw a t e r - c o o l e dp e b b l e - b e dr e a c t o r ，a n e x p e r i m e n t a ll o o p 、析ms t r o n gh e a tg e n e r a t i n gp o r o u sm e d i ac h a n n e lw a sd e s i g n e d a n dt e c h n o l o g yf o rt h ee x p e r i m e n tw a sa l s od e v e l o p e d ，a n dp o w e rd i s t r i b u t ea n d h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e nr e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t t h el o o pu s e sw a t e ra sf l o w i n gm e d i 巩a n dt h et e s ts e c t i o ni sp a c k e dw i t h o x i d i z e ds t a i n l e s ss t e e ls p h e r e s t h en o n - c o n t a c te l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n h e a t i n gm e t h o dw a su s e di nt h el o o p ，i tp r o v i d e sas t r o n ga n dc o n t i n u o u sc o n t r o l h e a ts o u r c e i ti st h er e a ll o o pf o rs t u d y i n gt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f p o r o u sm e d i ac h a n n e l sw i t hs t r o n gh e a ts o u r c e a st h ei n d u c e dc u r r e n ts k i ne f f e c t ，t h et e m p e r a t u r ei n s i d et h ep o r o u sm e d i a f i e l dd i s t r i b u t i o ni sv e r yu n e v e n ，i no r d e rt op r e d i c tt h eu n e v e nn a t u r e ，ap o r o u s m e d i u mm o d e lw a sb u i l ti nt h i sp a p e r ，a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a su s e di nt h e e l e c t r i c - m a g n e t i c - t h e r m a lc o u p l i n gf i e l d st op r d i c tt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n i nt h ep o r o u sm e d i au n d e rt h ec o n d t i o no fi n s u l a t i o na m o n gt h es p h e r e s f r o mt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a l lk n o wt h et h e m a lc o n d i t i o n si n s i d et h ep o r o u sm e d i u m ， m a n yr e a s o n a b l em e t h o d sw e r ep r o p o s e di nt h i sp a p e rt os o l v et h ep r o b l e mb y a d j u s t i n gt h er a d i u so fp o r o u sm e d i u ma n dt h ec u r r e n tp e n e t r a t i o nd e p t ha sw e l la s t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h ，m a t e r i a l p r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r a ld e s i g n t h e i m p r o v e dt e s ts e c t i o nd e s i g ni sm u c hm o r et h a ns i m p l yt r a n s p l a n t i n gi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gm e t h o di n t ot h ee x p e r i m e n t a l b e c a u s eo ft h ee x p e r i m e n t a l r e q u i r e m e n t s ，v a r i o u sp a r a m e t e r s o fm a j o r 哈尔滨二i j 程大学硕+ 学 _ 7 ：论文 e q u i p m e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n si na c c o r d a n c ew i t l lt h es t a n d a r do fj b t 81 9 4 ， h a v et ob ec a l c u l a t e d w ea l s od e s i g n e dt h ec o n d e n s o r ，t h ew a t e r w a t e rh e a t e x c h a n g e r ，t h eh e a t e r ，t h es t e a ms e p a r a t o ra n do t h e re q u i p m e n t s ，w h i c ha r e n e c e s s a r yf o rt h ee x p e r i m e n t a ll o o p i nt h ee n d ，w ec o m p l e t e dt h eo v e r a l ld e s i g n a n di n s t a l l a t i o n o ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m i nv i e wo fv i s u a l i z a t i o nr e q u i r e m e n t so ff o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ri n p o r o u sm e d i ac h a n n e l 晰t l ls t r o n g h e a ts o u r c e ，at e s ts e c t i o nf o rv i s u a l i z e d e x p e r i m e n ta n di t ss e a lm e t h o d w e r ed e s i g n e d ，w h i c hf a c i l i t a t e dt h ef o l l o w i n g e x p e r i m e n t sf o rt h ef l o wp a t t e r na n db u b b l eb e h a v i o ro b s e r v a t i o na n ds oo n b ye x p e d m e n t a lr e s e a r c h ，l o c a lp o w e rw a s c a l c u l a t e db yu s i n gz o n i n gl a w s t h er e l a t i o n s h i po f h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h er e y n o l d sn u m b e rw a s c o r r e l a t e du n d e rt h ep o w e ro f 3 0k wa n d15k w t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ep o w e rh a sn oe f f e c to nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e t h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tr a p i d d l yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e o fr e y n o l d sn u m b e r ，t h ee n t r a n c ee f f e c ta f f e c t e dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t g r e a t l y h e a tt r a n s f e ri np o r o u sm e d i aw a sa l s op e r f o r m e db yu s i n gt h es o f t w a r e o ff l u e n t t h ee r r o ro ft h eh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n ti sl e s st h a n8 k e y w o r d s ：s t r o n gi n t e m a lh e a ts o u r c e ；p o r o u sm e d i a ；e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n h e a t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v i s u a l i z a t i o n 哈尔滨t 稃大学硕十学侍论文 目录 第1 章绪论l 1 1 课题的背景1 1 2 课题研究的目的及意义4 1 3 国内外研究概况5 1 4 多孔介质6 1 4 1 多孔介质相关概念的介绍6 1 4 2 多孔介质中的传热特性一8 1 5 本文的主要工作1 0 1 6 总结1 l 第2 章非接触式电磁感应加热。1 2 2 1 感应加热的物理基础1 2 2 1 1 电磁感应定律1 2 2 1 2 集肤效应1 2 2 1 3 邻近效应与圆环效应1 6 2 2 电磁感应加热系统1 8 2 2 1 可控硅中频电源1 8 2 2 1 1 可控硅中频电源概论”1 8 2 2 1 2 可控硅中频电源的工作原理”1 9 2 2 2 感应加热器2 2 2 2 2 1 电磁感应加热器的加热原理2 2 2 2 2 2 电磁感应加热器概念设计2 4 2 3 本章小结2 4 第3 章a n s y s 软件模拟2 5 3 1 电磁感应加热方式存在的问题2 5 3 2 软件模拟2 6 3 2 1a n s y s 软件介绍2 7 哈尔滨门犁人学硕十学位论文 3 2 2 建模 3 2 3 模拟分析 3 3 解决办法 3 3 1 由透入深度与半径的关系考虑 3 3 2 由感应线圈内磁场强度方面考虑 3 3 3 由材料性质的改良方面考虑 3 3 4 由实验管的结构方面考虑 3 4 实验管管壁温度场的软件模拟 3 4 1 建模 3 4 2 软件模拟 3 5 本章小结 第4 章实验系统设计”3 7 4 1 实验系统的总体设计”3 7 4 2 实验段设计”4 0 4 2 1 多孔介质材料的选择4 2 4 2 2 石英玻璃管的选取4 2 4 3 系统主要设备的设计4 2 4 3 1 汽水换热器的设计4 3 4 3 1 1 换热器型式选择4 3 4 3 1 2 汽水换热器参数计算”4 4 4 3 1 3 汽水换热器结构设计4 6 4 3 2 水水换热器的设计4 8 4 3 2 1 换热器参数计算”4 8 4 3 2 2 换热器结构设计5l 4 3 。3 加热器的设计5 1 4 3 3 1 加热器的功能5 1 4 3 3 2 加热器的结构设计5 2 4 3 3 3 加热管设计及安装5 3 4 3 4 汽水分离器的设计5 4 4 3 4 1 汽水分离器的参数计算5 4 哈尔滨一f i 稗大学硕十学位论文 4 3 4 2 汽水分离器结构设计 4 3 4 3 汽水分离器入口设计 4 3 5 疏水阀的选择” 4 4 本章小结 第5 章实验段的可视化设计及测量技术研究 5 1 可视化设计 5 2 测量技术研究 5 2 1 测量系统“ 5 2 2 温度测量装置的设计 5 2 3 测量装置的密封设计一 5 2 4 测量装置的排布一 5 3 热电偶的选则及焊接 5 4 实验台的调试与安装 5 4 1 实验回路的安装与调试一 5 4 2 测量仪表的安装” 5 5 实验操作步骤及注意事项 5 6 本章小结 第6 章实验结果分析及f l u e n t 数值模拟计算 6 1 功率分布6 9 6 1 1 平均功率“6 9 6 1 2 局部功率6 9 6 2 换热系数研究7 1 6 2 1r e 对换热系数的影响”7 1 6 2 2 入口效应对换热系数的影响7 3 6 2 3 加热功率对换热系数的影响7 4 6 3f l u e n t 数值模拟计算与实验结果对比分析7 4 6 3 1 建立模型7 5 6 3 2f l u e n t 软件模拟7 6 6 3 3 软件模拟与实验结果对比7 6 6 4 本章小结7 7 哈尔滨l ：稗大学硕十学位论文 1 1 1 - - i i i i i i i i i i 宣宣i i 苦i i 宣置i i i i ；i i i i 眚 结 仑7 8 参考文献7 9 攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果8 4 致谢8 5 哈尔滨丁秤人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景 多孔介质中的流动和传热现象具有很广阔的工程应用背景，涉及了包括 核反应堆的冷却，石油热采、冷凝强化，粮食储存等许多工程领域。例如核 反应堆事故分析【l 】，在轻水反应堆发生失水事故时，堆芯将熔化并在压力容 器内重新部署形成碎片床，冷却剂在碎片床内沸腾形成多孔介质内的两相流 动与传热现象。 多孔介质中流动与传热的研究是当前国内外工程热物理学科中活跃的前 沿研究领域之一。 多孔介质在核反应堆中的应用以球床堆为主要代表，以微球形燃料为元 件形式的核反应堆堆芯中，燃料球致密排列，充满整个元件管。冷却剂流经 燃料元件堆积形成的孔隙流道，与燃料元件之间发生强烈的热量交换。球形 核燃料具有极高的体积热功率，对于采用微球形核燃料的水冷堆而言，燃料 球体积热功率达到1 0 0 3 0 0 m w m 3 。为了保证足够的冷却，冷却剂必须维 持在很高的雷诺数范围内。对于沸水堆或直接核过热的反应堆，堆芯内冷却 剂经历由单相到两相、甚至过热蒸汽的全过程，多孔流道内复杂的相态分布 规律及多种传热机理耦合作用下的热工水力特性，区别于其它工程应用中涉 及到的多孔介质研究。对于球形核燃料构建的多孔介质物理模型，固定相高 热流密度、冷却剂复杂流态以及多种传热机理耦合作用决定了该模型属于含 高体积热功率内热源的多孔介质研究范畴。 环型球床高温气冷堆是利用球形元件在球床堆芯中的流动规律，在球床 堆中心区域实现一个柱状石墨球装载区。由以前的单向传热转变为双向传热， 大大降低了环型堆芯在失冷失压事故中的径向衰变热导出阻力因此，当堆芯 热功率有较大幅度提高时，环型堆芯仍然能够凭借自身的传热机能将衰变热 量及时排出，使燃料元件在失冷失压事故过程中最高温度都不会超过1 6 0 0 哈尔滨- 厂稃大学硕+ 学何论文 的限值【2 j 。 球形核燃料元件最早主要应用于气冷堆，在以英国、美国、德国、法国 和前苏联为代表的国家得到了广泛地研剜3 1 。我国清华大学与华能等单位从 上世纪7 0 年代开始研究气冷堆，并计划于2 0 1 0 年达到商用设计水平。由于 气冷堆功率密度难以提高，燃耗低等限制，其经济性还远低于压水堆，同时 基于气冷堆辐射屏蔽上带来的难点问题等，部分国家的研究机构曾一度停止 了该领域的研究工作。在中国核学会0 9 年年会上，清华已经公开承认，由于 以氦气透平技术为代表的一些关键技术一直无法突破，因此无法按原计划完 成球床高温气冷堆的设计，只能将原设计中的二回路舍去，代之以水冷堆的 二回路技术，即将气冷堆一回路与水冷堆二回路结合起来使用，并且气冷堆 芯的成本只占电站成本的2 ，因此清华的气冷堆虽然即将进入商业化建设， 但其绝对不是真j 下意义上的气冷堆。并且清华大学宣布其研制的高温气冷堆 将主要应用于低温供热及海水淡化方面，并不应用于核能发电。因此在核能 发电及核动力领域，甚至于低温供热及海水淡化等核相关领域，水冷堆在今 后相当长一段时间罩还是主流堆型。 尽管以小型化和固有安全性为特点的模块式高温气冷堆近2 0 年来具有 较好的市场前景，重新引起国际核能界和工业界的重视，但寻求一种新型概 念，实现球形燃料元件的设计优点和成熟水冷堆的技术优势结合，成为近十 多年来球形燃料元件应用探索的重要方向之一。核能在能源结构中所占比重 不断增加的需求现状，促使核反应堆在安全性、经济性以及有效防止核扩散 等几个方面进行技术提高，这也成为当前世界范围内核电市场面临的主要问 题，而微球形燃料元件水冷堆概念j 下是基于这种技术需求背景而提出的。 水冷堆采用微球形燃料燃料元件可以提高电站效率，并节约投资。n e a 于2 0 0 5 年在维也纳召开的关于小型模块式反应堆协作会议上，与传统燃料元 件相比，将球形核燃料与轻水堆结合的技术优势总结如下【4 】： 1 较高的冷却剂负反应系数及空泡反应性使得反应堆能快速停堆； 2 微球形燃料元件具有很高的比表面积，同时由于燃料颗粒直径较小， 2 哈尔滨t 稚大学硕十学何论文 燃料核心的峰值温度极大降低，事故工况下燃料自身吸收的显热减少，因此， 燃料元件固有安全性高，从本质上避免了堆芯熔化； 3 堆芯有很大的换热面积，利于非能动系统采用自然循环导出余热； 4 燃料组件材料采用耐热合金，不含锆金属，不存在事故工况下锆水 反应，避免了额外的释热和产生氢气； 5 可以与超临界或者直接过热技术结合，获得高达4 4 4 5 的朗肯循 环效率，每单位电能所需冷却剂流量相对于b w r 降低了约6 0 ； 6 球床堆芯结构中传热面积的增大和表面热流密度的降低，使得堆芯 不存在传统p w r 和b w r 中的c h f ； 7 燃料元件中加入的可燃毒物量少，且可获得均匀的可燃毒物分布； 8 微球形燃料元件具有较小的直径，消除了自屏蔽的影响，沿燃料元 件径向燃耗均匀，增加了燃料的经济性； 9 s i c 材料对于热中子的吸收性能远远低于锆，提高了中子的经济性； 1 0 m f e 的独立完整结构，可将燃料核芯和裂变产物抑制于陶瓷涂层 内； 1 1 具有实现连续换料的可能性，提高了利用效率； 1 2 采用超临界流体技术，可以极大缩小设备的体积； 1 3 超临界和过热蒸汽锅炉在化石燃料电站的普及，使得超高压条件下 汽机的设计，运行积累了丰富的经验，这对于提高核反应堆出口蒸汽参数以 获得高热能转换效率奠定基础。 鉴于水冷堆与球形燃料元件结合的上述技术优势，引起了许多国家的关 注。经过近些年的广泛研究，具有代表性的概念堆型主要包括美国的a f p r 、 俄罗斯的b w r p b 、巴西的f b n r 以及r 本的p f p w r 。 正是在这样的一个大的背景下，才提出了强内热源微球多孔介质通道热 工水力实验台设计的课题，为今后开展对核反应堆与球形燃料元件结合技术 的研究做铺垫。 3 哈尔滨f ：稗人学硕十学何论文 1 2 课题研究的目的及意义 众所周知，我国目前能源结构极不合理：煤炭占一次能源的比例超过2 3 ， 天然气、核能只占很小的比例。大规模燃烧煤炭不仅造成严重的环境污染， 而且给交通运输带来不可承受的压力，已经严重威胁到了国民经济的可持续 发展。核能作为一种清洁能源，既不排放温室气体，又不污染坏境，是解决 未来几十年我国经济增长对能源需求高速增长的有效途径之一。随着世界能 源结构的调整，核能逐渐发挥重要作用，成为能源结构中的重要组成部分。 为了不断提高反应堆的经济性、安全性和防止核扩散能力，世界许多国 家都在努力研制开发新一代反应堆，球床水冷反应堆就是其中最引人注目的 堆型之一，它是将目前世界上使用最多、技术最成熟的水冷反应堆技术与性 能优异的新型球形燃料元件有机地结合起来，发展一种小型化、模块化、长 寿命反应堆，具有很高的固有安全性和防止核扩散能力，可以实现多种用途 目的，极具发展潜力【5 。9 】。 在球床水冷反应堆中，燃料球致密排列，充满燃料管，构成含强内热源 固体相的多孔介质通道。冷却剂在其中以很高的流速流过并与燃料球进行强 烈的热量交换，呈现复杂的单相和两相流态，固体相与流动相之间呈现热力 学不平衡状态，多种传热机理并存，加之球床中固定相形成的孔隙具有弯曲 性、多变性、无定向性和随机性的特点，流体质点在球床中不停地发生混合 和分离，流速的大小和方向也在不断地改变，弥散效应使流动和传热过程变 得极其复杂，基于传统水冷反应堆发展需要的基础研究成果已不能很好适应 球床水冷堆发展的需要，急需开展相应的基础性研究，以便能深入了解含强 内热源多孔介质通道中流动与传热规律，进而为球床水冷反应堆的发展创造 有利条件。 强内热源多孔介质通道热工水力实验台设计的研究，是为了模拟球床核 反应堆的流动与换热过程。为球床核反应堆的实现，做前期的理论基础。基 于微球形燃料元件的水冷堆型概念研发得到了较多的关注，其中多个堆型采 用了球床堆芯结构。由于这些概念基本都处于初步概念设计阶段，针对球床 4 哈尔滨门掣大学硕十学何论文 堆芯的热工水力、元件力学特性以及水质与燃料元件的相容性实验研究等尚 未见普遍报道，概念设计阶段也主要以程序分析获得初步的热工水力等设计 参数。 由于核能利用过程中安全性和经济性要求的提高，使得新型反应堆技术 的研发同益迫切，多孔介质传热传质的基础研究在反应堆设计中的应用也必 将成为我国热工水力研究的主要热点问题之一。 1 3 国内外研究概况 多孔介质学科是发展较早的科学技术领域之一。由于多孔介质中的流动 与传热现象在化工、农业、生物、医学、石油开采等领域具有非常广阔的工 程应用背景【l0 1 ，以及多孔介质床或多孔介质层具有显著的强化换热作用 e l l - 1 2 】，因此针对这些领域涉及的多孔介质中的流动与传热问题已开展了许多 研究，n i e l d & b e j a n e l 3 】和刘伟等1 1 4 】对此进行了比较详细的论述。由于这些研 究的应用背景与核反应堆关系不大，因此，相关研究大多都是针对非加热或 外热源加热条件进行的。对于含内热源多孔介质中的流动与传热特性研究目 前主要集中在两个方面：一是以核废料存放、粮食储存、燃煤堆放等为应用 背景，对含有内热源多空介质中的自然对流和混合对流换热开展的研究。由 于实验上存在诸多困难，这类研究主要是在达西流动模型和热平衡假设的基 础上进行了一些理论分析和数值计算，得到多孔介质内的流场和温度场分布 及边壁的换热系到1 5 以引，这些计算结果的合理性和准确性还有待于进一步的 实验验证和发展；另一方面是以反应堆堆芯严重烧毁后形成的堆积床冷却为 应用背景，研究浸没在水中的含内热源多孔介质中的池沸腾换热【1 9 。2 1 1 。由于 研究对象的重要性和复杂性，这类研究进行的实验较多，实验中一般采用电 磁感应加热技术。同时由于研究所关注的主要是堆芯能否得到有效冷却以避 免事故的进一步恶化，而非多空介质中的换热规律和换热机理，因此在这些 研究中所进行的实验主要是获取多孔介质床内发生沸腾蒸干的位置和对应的 临界热负荷数据，然后在此基础上建立预测计算模型，而没有详细研究多空 5 哈h i f e 7 ：稗人学硕十学位论文 介质中的流动与沸腾换热情况及其计算方法。 随着能源、化工、冶金、原子能等领域的技术发展，以及近代工农业生 产技术的进步，又提出了大量更为复杂的多孔介质传递过程问题，从而更进 一步促进了多孔介质学科的形成和发展，使其成为当今科学技术中令人瞩目 的研究热点之一。无论是科学的发展、技术的进步，还是现实的需求，多孔 介质学科的形成和发展已成为了必然。刘伟【2 2 1 、林瑞泰等人对多孔介质中 单相流流动特性的研究做出了的很大的努力，无论在数值模拟、计算方法还 是在实验研究方面都取得了长足的进步。总的来说，目前多孔介质流动和传 热的研究的重点主要集中在以下几个方面： 1 结合宏观和微观范畴的研究，以理论分析、数值模拟和实验研究为手 段，建立和完善多孔介质的微观和宏观模型。 2 发展测量原理及完善测量手段，丰富和完善多孔介质的基础数据库。 3 强化以工程应用为背景的多孔介质中流动和传热的基础研究，这也成 为今后多孔介质流动和传热研究的主要方向。 1 4 多孔介质 1 4 1 多孑l 介质相关概念的介绍 多孔介质在自然界和人类生产生活中广泛存在【2 4 1 ，对多孔介质的定义与 分类随研究目的不同而有所差异。一般来说，多孔介质是指内部含有众多孔 隙的固体，如土壤、建筑与保温制品、化工填充床、煤炭与矿石堆、热管多 孔芯、木材、谷物、馒头面包等均属不同类型的多孔介质。综合各种多孔介 质的结构特征，可对其含义规定如下【2 5 2 6 】： 1 多相物质所占据的一部分空间。在多相物质中至少有一相不是面体。 它们可以是气相和( 或) 液抵面体相称为固体骨架。在多孔介质范围内没有固 体骨架的那一部分空间叫做空隙空间或孔隙空间。 2 在多孔介质所占据的范围内，固体相应遍及整个多孔介质在每一个表 6 哈尔滨 ：种人学硕十学何论文 征体元内必须存在固体颗粒。多孔介质的一个基本特点是固体骨架的比面较 大，这个特点在很多方面决定着流体在多孔介质中的性状。多孔介质的另一 个主要特点是构成空隙空间的空隙比较狭窄。 3 至少构成空隙空间的某些孔洞应当相互连通。有时我们把相互连通的 孔隙空间叫做有效孔隙空间。就流体通过多孔介质的流动来对不连通的孔隙 可以视为固体骨架部分。实际上，相互连通的空隙空间的某些部分对流体在 多孔介质中的流动也可以是无效的，即虽有孔隙但没有流体流过，这部分热 量不能及时传出，为多孔介质的局部烧毁埋下了隐患。 这种固体骨架和空隙的流体的流体、包括空气或者湿份的相互混合，在 被加热或冷却时，或者出于非均匀温度场中，将构成一种特殊的多相体系， 常专称为“多孔介质”。 根据多孔介质的含义，可将多孔介质理解为包含孔隙空间的固体骨架。 固体骨架的组成成分是多种多样的，构成固体骨架的固体颗粒的特性、孔隙 空间的几何形状及孔隙的曲折度也是千差万别的。多孔介质的这些结构特点 决定了其在传递过程中所表现出来的物理、化学及力学方面的一些特性，其 中包括渗透特性、毛细特性、导热特性、吸附特性等。正是由于这些特性， 使得多孔介质在众多领域中都得到了广泛的应用，与此同时也带来了更多的 复杂问题等待研究。 孔隙率：实际使用的孔隙率用表示，常指多空间诶只整体的空隙所占 的总份额，是宏观的统计平均值，或者只代表均匀多孔介质的孔隙率，以百 分数表示。固体骨架所占份额为( 1 曲。 孔隙率可分为两种：多孔介质内互相连通的微小空隙的总体积与该多孔 介质的外表体积的壁纸称为有效孔隙率，以仇表示；多孔介质内相通的和不 相通的所有微小孔隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值称绝对孔隙 率，以够7 表示。所谓孔隙率，通常指有效孔隙率，但为书写方便，一般直接 以够表示。 7 哈尔滨t 稗人学硕+ 学位论文 1 4 2 多子l 介质中的传热特性 流体在多孔介质中流动的一个主要特点就是弥散效应的存在。流体的动 力弥散现象包括两种同时发生的基本输运过程：对流和分子扩散。由于孔隙 系统的复杂结构，使流体微观通道的尺寸和形状随处各异，造成流体分布在 各个局部处的流动速度均不同。弥散现象的存在，使多孔介质中的传热规律 具有特殊的复杂性【2 7 1 。 1 强化传热 粒状多孔层中的沸腾两相流与传热，属于微尺寸结构中的沸腾两相流与 传热的范畴，是多孔介质两相与多相热物理研究的一个重要内容。同时，薄 的粒状多孔层是一种高效的强化沸腾传热结构。多孔介质的特性取决于孔隙 率、有效半径、渗透率以及有效导热系数等因素，这些也是影响多孔介质中 传热传质规律的因素。 近些年来，一些学者针对多孔结构强化传热展开了大量的研究。研究结 果表明：在平板之问填充了不同结构的多孔物质，利用水和空气分别作为冷 却介质时，多孔介质可将板问对流换热系数提高5 1 0 【”】倍，但流动阻力也相 应大幅度增加。在平行平板之间填充金属多孔介质，冷却介质为单相水时， 换热系数比不填充时提高5 1 0 3 9 1 倍。通过对多孔介质中的强制流动及局部换 热变化规律的研究，认为存在一个最佳d a r c y 数，在多孔介质颗粒导热系数 较高的情况下，可以有效促进对流换热且造成的流动阻力相对较小，获得最 优的强化传热效果。在对比了填充不同导热系数的烧结颗粒时换热系数的变 化后，发现强化传热的效果随着颗粒导热系数的增加而增强，在以空气为冷 却介质时换热系数增加到1 0 0 5 0 0 0 w ( m k ) 。对低渗透率微孔槽中的流动 换热的研究表明在保证热流密度不变的情况下多孔结构可以有效控制加热体 的壁面温度。 尽管就多孔结构强化传热方面的课题已经开展了大量的研究，并取得了 许多共识性的结论；对多孔介质中的非达西效应、孔隙率变化、物理特性以 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 及热弥散效应等对换热的影响分别进行了讨论，但仍然存在许多问题需要进 一步研究。换热增强和流动阻力的增加如何进行优化，颗粒直径、导热系数 以及工质流速等因素对换热效果影响也缺乏更系统的研究；虽然也有人考虑 了自然对流的影响，但多孔介质中因为自然对流和相变的存在对流动和换热 的影响并没有统一的认识；前人对于多孔介质强化传热的影响，普遍采用了 较低的压力甚至常压。姜培学等人在超临界压力下对c 0 2 在多孔介质中的对 流换热研究发现，工质入口温度、热流密度以及工质流量等都对对流换热系 数有更重要的影响，如何评价高压甚至超临界压力条件下多孔结构和流动参 数对换热效果的影响，是目前超临界反应堆和锅炉系统面临的热点问题之一。 边壁效应对流动与传热也有重要的影响。已有的多孔介质强化传热实验研究 中，尽管采用了不同直径的颗粒，但多在1 0i i l l i l 以下，此时的传热增强还远 远小于流动阻力的增加。同时，由于颗粒直径较小，故填充层数( 通道特征尺 寸，即板间距与颗粒直径的比值) 较大，边壁效应的影响还不占主要地位。随 着填充颗粒直径的增大，边壁效应的影响也在增大，当填充较大颗粒时，无 法直接采用已有理论模型对此进行描述和分析预测。 2 含内热源多孔介质中的传热特性 化学固定床式反应器的固定相具有相对较低的热流密度。在球床堆芯结 构的反应堆中，燃料球致密排列，充满元件管，可以将整个元件管视为多孔 介质，冷却介质作为流动相，燃料球作为固定相。为了保证足够的冷却，冷 却介质的流量保持在较高的范围，流动相具有较高的雷诺数，同时，球形燃 料元件的体积热功率相当高，自身作为热源加热流动相，因此，整个球形燃 料组件属于一种含有高体积热功率内热源的多孔介质。 迄今为止，有关含内热源多孔介质通道中强迫对流换热研究的公开报道 非常少，且主要是以空气为介质，针对粮食储存和燃煤堆放等问题在低流速 区开展的计算分析【4 u 】和针对高温气冷堆堆芯冷却问题在高流速区开展的实 验研究【4 l 】。对于我们所关心研究的问题，仅见中国核动力研究设计酣4 2 1 以水 为工质，采用在球床内埋设电加热金属球的方式，在较高流速区进行了单相 9 哈尔滨i ：程大学硕十学何论文 强迫对流换热实验研究，得到了局部换热