（核能科学与工程专业论文）球床多孔介质通道高速区流动特性研究.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 rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nt h e h i g hs p e e df l u i df l o wi n p e b b l e b e dp o r o u sc h a n n e l c a n d i d a t e ： j u nm a s u p e r v is o r ：p r o f 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 l i 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 fs 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 肼l iiii 5 1m 90删8 枷1胛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) ：蜀良 日期： ? 矿年岁月7 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留在授予学位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) ：弓侵 导师( 签字) ： 日期：? 。卜年j 月p 日 力形口年多月口日 羽7 、守亏 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 本文以球床水冷反应堆为研究背景，对管内填充玻璃球构成的球床多孔 介质通道内单相水紊流区的流动特性进行了研究。实验采用的不锈钢管的内 径为5 0 m m ，填充玻璃球直径分别为2 m m 、3 m m 、5 m m 和8 m m ，相应的孔 隙率为0 3 7 9 、0 3 9 、0 3 9 7 、0 4 0 8 。实验在常压下进行，流量范围为0 6 1 0 m 3 h 。 多孔介质内的流动特性计算中比较常用的公式为e r g u n 方程。通过与实 验数据对比分析，结果表明在f o r c h h e i m e r 区，传统e r g u n 经验公式和 m a c d o n a l d 经验公式能够较好的预测流体在多孔介质中的压降，尤其是空隙 率较小的情况实验值与经验公式符合的很好，并且随着雷诺数的增加实验值 与经验值的吻合更好。在紊流区，传统e r g u n 经验公式和m a c d o n a l d 经验公 式与实验值出现很大偏差，所以紊流区中不可以用经验公式进行预测。 在紊流区，本文以实验值为基础，对e r g u n 型经验公式的常系数进行了 重新拟合得到了较合理的公式。并对紊流区中流动机理进行了分析，随着雷 诺数的增大粘性份额不断减小，惯性力所占份额随着雷诺数的增大不断增大， 在紊流区中只有2 m m 的粘性份额与惯性份额有一定交叉，其他小球的惯性份 额始终高于粘性份额。 本文最后用分形理论分别对f o r c h h e i m e r 区和紊流区进行了分析。结果 表明分形理论值在f o r c h h e i m e r 区和紊流区中比传统e r g u n 型经验公式据有更 准确的预测值，而且比e r g u n 型经验公式有更准确的物理意义。从分形理论 可以看出，不仅与流速，空隙率有关，而且孑l 隙大小，相分形维数，迂曲度 分形维数对压力的损失有不可替代的影响。 关键词：多孔介质；阻力压降；e r g u n 型公式；分形理论 哈尔滨r t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h eh y d r a u l i c so fp e b b l e - b e dw a t e r - c o o l e dn u c l e a rr e a c t o r , e x p e r i m e n t so fw a t e rf l o w i n gt h r o u g hc i r c u l a rt u b ep a c k e dw i t hs a m eg l a s sb a l l s w e r ec a r r i e do u t t h ei n n e rd i a m e t e ro fs t a i n l e s st u b ei s5 0 m m ，a n dt h ed i a m e t e r o f t h eb a l l sc o v e r s2 ，3 ，5a n d8 m m ，w h i c hp o r o s i t i e sa r e0 3 7 9 、0 3 9 ，0 3 9 7a n d 0 4 0 8 ，r e s p e c t i v e l y t e s t sw e r ep e r f o r m e df o raf l o wr a t eo f0 6 lo m 3 ha ta i r p r e s s u r e t h ee r g u ne q u a t i o ni sm o r ec o m m o n l yu s e di nt h ep o r o u sm e d i a c o m p a r e d w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h et r a d i t i o n a le r g u ne q u a t i o na n dm a e d o n a le q u a t i o n a r eb e t t e ra b l et op r e d i c tf l u i dp r e s s u r ed r o pi np o r o u sm e d i ai nt h ef o r c h h e i m e r z o n e , e s p e c i a l l yt h ep o r o s i t yi sr e l a t i v e l ys m a l le x p e r i m e n t a lv a l u e sm a t c hv e r y w e l lw i mt h ee m p i r i c a lf o r m u l a ，a n da st h er e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s e st h ev a l u e o ft h ee x p e r i m e n t a ld a t af i tb e t t e rw i mt h ee x p e r i e n c e i nt h et u r b u l e n tz o n e e x p e r i e n c et r a d i t i o n a le r g u nf o r m u l aa n dm a c d o n a l de m p i r i c a lf o r m u l ac o m p a r e d w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o wg r e a td e v i a t i o n ，s ot u r b u l e n tz o n ec a nn o tu s e e m p i r i c a lf o r m u l at op r e d i c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t ah a v eb e e nr e f i t t e dt h ec o n s t a n t c o e f f i c i e n t so ft h ee r g u n t y p ee m p i r i c a lf o r m u l at ob eam o r er e a s o n a b l ef o r m u l a i nt h et u r b u l e n tz o n e a n di nt h et u r b u l e n tz o n ef l o wm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d ， w i t l lt h er e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s e dv i s c o u sp a r ti sd e c r e a s e sc o n t i n u o u s l y , i n e r t i a lp a r ti si n c r e a s e da st h er e y n o l d sn u m b e ri si n c r e a s i n g , a n di nt h et u r b u l e n t z o n ei so n l y2 m mv i s c o u sp a r ta n di n e r t i a lp a r th a v eac e r t a i nc r o s s - c u t t i n g ，o t h e r s m a l l e ri n e r t i a lp a r ti sa l w a y sh i g h e rt h a nt h ev i s c o u ss h a r e a tl a s t ，f r a c t a lt h e o r yi su s e di nt h ef o r c h h e i m e ra r e a sa n dt u r b u l e n ta r e a s r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r e t i c a lv a l u eo ff r a c t a lt h e o r yi sb e t t e r t h a nt r a d i t i o n a le r g u n - t y p ee m p i r i c a lf o r m u l ai nt h ef o r c h h e i m e ra n dt u r b u l e n t 哈尔滨- t 程大学硕卜学位论文 a r e a , a n dm o r ea c c u r a t ep h y s i c a lm e a n i n g f r o mt h ef r a c t a lt h e o r yc a l lb es e e n , n o t o n l yw i t ht h ev e l o c i t y , p o r o s i t y , b u ta l s op o r es i z e ，f r a c t a ld i m e n s i o n ，t o r t u o s i t y f r a c t a ld i m e n s i o nh a v ea ni r r e p l a c e a b l ei m p a c ti nt h ed e g r e eo f p r e s s u r el o s s k e y w o r d s ：p o r o u sm e d i a ；p r e s s u r ed r o p ；e r g t me q u a t i o n ；f r a c t a lt h e o r y 哈尔滨t 程大学硕：l 二学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 课题的背景及意义l 1 2 多孔介质理论中的一些基本概念2 1 2 1 多孔介质的定义。2 1 2 2 多孔介质的参数3 1 3 研究概况4 1 2 3 理论研究现状5 1 2 4 多孔介质中紊流的研究现状8 1 4 本文的选题与主要工作1o 第2 章实验系统和实验设计1 l 2 1 实验装置系统1 1 2 1 1 循环水系统1 2 2 1 2 测量系统1 2 2 2 实验段1 2 2 3 实验台的调试与安装1 5 2 3 1 实验回路的安装与调试1 5 2 3 2 测量仪表的安装1 5 2 3 3 测量仪表的标定1 6 2 4 实验操作步骤及注意事项1 7 2 4 1 实验操作步骤1 7 2 4 2 实验注意事项18 2 5 本章小结1 8 第3 章颗粒堆积型多孔介质内流动的基本理论1 9 3 1 颗粒堆积的多孔介质的孔隙结构的描述1 9 3 2d a r c y 定律2l 3 3e r g u n 方程2 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 4 毛细管束模型。2 2 3 5 本章小结2 5 第4 章球床多孔介质阻力压降实验研究2 6 4 1 流区的划分2 6 4 2 对已有经验公式的对比分析2 9 4 2 1f o r c h h e i m e r 区阻力压降与e r g u n 型经验公式的对比分析3 0 4 2 2 紊流区与e r g u n 型经验公式的对比分析3 2 4 3 阻力压降公式的拟合3 5 4 3 1 紊流区压降公式的拟合3 5 4 3 2 常规阻力系数模型3 7 4 4 流动机理分析4 0 4 4 1 紊流区中惯性份额与粘性份额的变化4 0 4 4 2 紊流区数值计算4 3 4 5 本章小结4 8 第5 章分形理论对多孔介质输运性质的分析5 0 5 1 多孔介质输运性质分形分析的基本理论基础5 0 5 1 1 沿多孔介质通道的粘性能损失5 2 5 1 2 沿多孔介质通道的惯性能损失5 4 5 1 3 总能量损失5 6 5 2 分形模型与实验结果的对比分析5 6 5 2 1f o r c h h e i m e r 区阻力压降与分形模型的对比分析5 6 5 2 2 紊流区与分形模型的对比分析5 9 5 3 本章小结6 2 结 论。：6 3 参考文献6 5 攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果6 9 致谢- 7 0 哈尔滨t 程大学硕卜学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着世界人口的急剧增长和经济的快速发展，世界范围内的能源短缺，以 及日益明显的温室效应和环境恶化，使人们越发感觉到发展核电的优势。与此 同时，核电的经济性、安全性和核扩散问题又对核电的发展提出了严峻的挑战。 如何能使核电在经济上具有良好竞争力的同时，运行上也具有公众可以信赖的 安全性，已成为核能研究人员必须克服的难题。为此，很多国家相继投入大量 人力、物力进行新一代先进反应堆研究，并开展了广泛的国际合作。球床水冷 反应堆，作为新概念反应堆的一种，其安全性和经济性有很大优势，是新型反 应堆发展的一个重要方向。 以球形燃料元件构成的核反应堆堆芯中，燃料球致密排列，充满整个元件 管。冷却剂流过燃料元件堆积形成的孔隙流道，与燃料元件之间发生热量交换。 球形核燃料具有极高的体积热功率。为了保证反应堆安全，必须使燃料元件得 到充分有效的冷却，冷却剂需要维持在很高的流速范围内。对于沸水堆或直接 核过热的反应堆，堆芯内冷却剂要经历由单相到两相、甚至过热蒸汽的全过程。 从目前国内外对涂层结构的球形燃料元件的研究来看，球形核燃料元件适用于 球床水冷反应堆是基本可行的n ，。 另外，水冷反应堆是目前世界上使用最多、技术最成熟的反应堆，轻水做 为冷却剂兼慢化剂，表现出优良的性能。对于这种反应堆，人们在长期的研究、 设计和运行实践中已经积累了非常成熟的技术和丰富的经验。球形燃料元件是 一种新型燃料元件，与传统的棒状燃料元件相比，球形核燃料元件具有表面积 大、换热系数高、允许的功率密度大和耐高温性能优异等特点。球床水冷反应 堆概念就是试图将球形核燃料元件的设计优点与成熟的水冷堆技术有机地结 合起来，进而发展性能更加优良的先进反应堆。 对球床水冷反应堆而言，其运行的可靠性是此类反应堆研究的首要条件， 本文将对球床内单相流流动特性，尤其在高流速时的流动特性进行研究。 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 1 2 多孔介质理论中的一些基本概念 多孔介质的基本概念是了解和研究多孔介质的基础，为了方便后面章节对 多孔介质的描述和研究，下面将多孔介质中一些相关的概念加以介绍。 1 2 1 多子l 介质的定义 所谓多孔介质，是指多孔固体骨架构成的孔隙空间中充满单相或多相介 质。固体骨架遍及多孔介质所占据的体积空间，孔隙相互连通，其内的介质可 以是气相流体、液相流体或气液两相流体。多孔介质是多相体系共同占据空间、 相互共存的一种组合体。 对多孔介质通道中的流体流动进行描述，必须对多孔介质的几何特性做如 下的限制： ( 1 ) 多孔介质中的所有孔隙空间是相互联通的。 ( 2 ) 孔隙的尺寸要比流体分子平均自由程大很多。 ( 3 ) 孔隙的尺寸要足够小，这样流体的流动才会受到流体和多孔骨架固体界面的 粘性力。 另外，对于流体通过孔隙的流动而言，不连通或者虽然连通但属于死端孔 隙( 如图1 1 ) 的这部分空间可视为固体骨架。 图1 1 死端孔隙 。 多孔介质的种类很多，本文研究的对象是颗粒堆积型的多孔介质，即通过 2 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 球形颗粒的堆积来形成的多孔介质。 1 2 2 多孔介质的参数 1 2 2 1 孔隙率 孔隙率是指多孔介质内孔隙的总体积与多孔介质的总体积的比值，一般用 s 表示。孔隙率受到颗粒形状、大小、排列方式等很多因素的影响。对于本文 这种同一直径小球构成的颗粒堆积型的多孔介质，可视为均匀多孔介质，某一 处的孔隙率与整体平均的孔隙率保持一致，这样就使问题得到了简化。但是 一般填充型的多孔介质都会存在“壁面效应 ，即在靠近壁面处的密实性较差， 孔隙率将高于平均值，本文中不考虑这个因素。 1 2 2 2 迂曲度 一般而言，多孔介质孔隙连通通道是弯曲的，其弯曲程度对多孔介质中的 传递过程将产生影响。迂曲度r 定义为连接弯曲通道两端的直线长度与弯曲通 道真实长度比值的平方。 1 2 2 3 渗透率 渗透率k 是多孔介质的一种性质，它表征在压力梯度的作用下一种流体通 过多孔介质的容易程度。渗透率是多孔介质的流体传导性。但是实际上，渗透 率只是表征在流体流速很低时，即层流时，流体通过多孔介质能力的一种度量， 此时孔隙内流体的粘性作用力是流动最主要的阻力。渗透率k 的定义式是由达 西定律确定的。 k = 盖( 1 - i ) 其中：“为折算速度，为流体粘度，a p l 为压力梯度。 渗透率是由多孔介质的结构参数决定的一个量，很多多孔介质在其结构上 具有方向性，即在不同方向上渗透率不一样，为各向异性多孔介质，本文研究 对象视为各向同性多孔介质。 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 渗透率可以通过其定义式由实验求得，但是一般是通过克泽尼理论来求 解，克泽尼理论表明孔隙率、比面和渗透率是相互联系的。最常用的经验公式 是克泽尼卡门方程。 d 2 肛南_ 6 3 ( 1 - 2 )1 8 0 ( 1 一占y 7 1 2 2 4 通过率 当多孔介质中的流动为达西流动时，流动阻力主要为粘性力，渗透率k 是 衡量流体通过能力的一个参数。但是当流速较高时，惯性力将逐渐变为阻力的 主要部分，将不能仅用渗透率来表示流体的通过能力，此时将涉及到通过率r ， 又称为非达西流系数。表明非达西流动时，惯性阻力作用时，流体通过多孔介 质的能力。通过率也是一个与多孔介质结构参数有关的量，具有长度的量纲， 其最常用的经验公式为公式( 1 3 ) 。 占3 d r 2 丽- - - - p ( 1 - 3 ) 1 3 研究概况 对于多孔介质渗透规律的研究由来已久，最初的研究领域是地下水勘探与 预测。1 8 5 6 年，达西曾通过对地下水源的研究提出了著名的适用于一定条件 下多孔介质中流体流动的达西定律。但是，在此后一个很长的历史时期内，一 直停留在土壤与岩层中水体流动这一类问题上，直到2 0 世纪3 0 年代，石油开 采和运输业的迅速崛起，加速了多孔介质学科的发展。5 0 年代前后，许多学 者对多孔物料干燥的原理与技术进行了较为全面的研究，使人们对多孔介质传 热传质过程的认识达到了一个新的高度。 迄今为止，随着能源、化工、冶金、原子能等的发展，以及近代工农业生 产技术的进步，又出现了大量关于多孔介质传递过程问题，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。 在这个漫长的发展过程中，不少学者对多孔介质中单相流流动特性的研究做出 4 哈尔滨t 程大学硕，卜学位论文 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。多孔介质渗透规律的研究，不少学者进行了总结，如c o m b a r n o u s 1 1 、 c h e n g t 2 1 、s t a n k i e w i e z 3 1 、b e a r 和b a c h m a 【4 1 ，j 贝尔【5 1 、薛定净6 1 、以及刘伟忉、 林瑞泰 8 】等人都对这方面的研究进行了较为全面的综述。 1 3 1 理论研究现状 在研究多孔介质传递过程这类问题时，也和处理其他复杂问题时一样，需 要对问题做出合理的假设，以便进行数学描述与求解。目前，对于多孔介质单 相流体流动特性的研究主要有以下几种常见的数学模型争捌： 1 达西模型 ( 1 ) 前达西模型：该模型主要适用于低雷诺数的情况下，当以颗粒直径 d 为特征尺寸的雷诺数r e 4 0 0 时，惯性作用对整个通道内的流动几乎没什么 影响，但是，在多孔介质入口段有明显的影响，仅当r e 5 时，该模型才能与 实验研究吻合。该模型假定横截面渗流速度为常量，其计算模型为： 一a p ：一丝甜 ( 卜1 ) 一= 一二。甜 k l l ， 址k 式中： p 一 阻力压降，p a 址一 多孔介质段长度，m 一工质的动力粘度，k g ( m s ) 1 k 一 比例系数 ( 2 ) 扩展达西模型：由于达西流模型只适用于极低雷诺数下的流动情况， f o r c h h e i m e r 考虑了惯性项的作用对达西式进行了修正： a p ：一生“+ b - p u 2( - l - z 一、)= 一二- “+ 。 l 址k 式中：p 一工质密度，k g m - 3 b 一 惯性项经验系数 另外，b r i n k m a n 同时考虑了惯性项和重力项的作用，对达西式作了进一 步修正，得到了b r i n k m a n 动量方程： 偿i=-篆+一铷2(1-p p g cu(1-3) i “瓦i i + 一意料 式中： g 一 重力加速度，m , s - 2 c 一 常系数 取局部容积平均量时，f o r c h h e i m e r 和b r i n k m a n 修正型平面横向达西流的 动量方程表达式见公式( 1 4 ) ，f o r c h h e i m e r - b r i n k m a n 方程： p 罢 一s 罢+ p g 一案“一嚣 2 + 2 甜 c 1 叫 p r 瓦l s 瓦+一言铲诱旷叫锄 ( 1 - 4 j 式中： 8 一 孔隙率 2 分形模型 分形理论是1 9 7 5 年由美国学者m a n d e l b r o t 为描述具有相似性的自然碎片 或不规则结构而提出的。所谓分形是指在形态或结构上存在着相似性的几何对 象，研究这之后的分形的科学称为分形几何学。分形的概念在多孔介质流动特 性的研究上的应用，突破了以往在该研究领域的局限性，以往的一些经典模型 均以连续介质假设为基础，而分形理论的引入把随机特性和不规则性有机地联 系了起来。在最近几年中，已有不少学者运用分形理论对多孔介质单相的流动 特性进行了研究。施明恒等人【1 3 】对分形理论在多孔介质流动和传热过程中的应 用进行了初步的分析，求出了基于分形理论的多孔介质固有渗透率和有效导热 系数，在此基础上，建立了多孔介质渗流与导热的分形模型；李艳松等人【1 4 】 对分形理论在多孔介质的结构和渗透性的研究进行了总结；s 1 l i 等人【1 5 】利用分 形理论对多孔介质渗透性能进行了理论研究；w u 1 6 1 利用分形理论对多孔介质 阻力模型进行了一定研究。比较有代表性的分形模型如下列所示： 多孔介质颗粒粒径均方值的分形表达式： 枣= 了栅砀簧 ( 1 - 5 ) 式中： 尺一 多孔介质颗粒直径，m b 一颗粒直径分布的分形维数 a 一 比例系数 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 一 颗粒直径小于r 的颗粒质量百分数 孔隙率分布的分形表达式： 一( 竿卜1 - c x 川) 三 ( 1 6 ) 式中：x 一 面积度量尺度，在实际计算中可取最佳度量尺度，m 2 a 一 孔隙直径，i r l s 一 微元剖面面积，m 2 固有渗透率的分形表达式： r z 南吲tl 纸c ) ( 1 一口) 2 ( 础) 6h t 舻1 啊 2 帕肌2 ( 1 - c x ( 柚) 3 ( 1 - 7 ) f 一 计算谱维数给出的常数值 c 一 计算剖面面积分维数时给出的常数值 m 一 多孔介质质量，k g 多孔介质分形阻力模型： 只只 1 3 2 z u3 + d r d ，1 一s 1 二+ 三= 一l 一 l l l 9 sl ；- 啦2 一d fs 量 + 壶( 1 5 + 歹1 一上2 f 1 2 、1 ) 丝2 6 21 l 珥狲_ 2 q 8 f3 6 z v ；、1 3 其中，旷l 1 厂j 式中： s p a 颗粒体积，m 3 颗粒表面积，l n 2 孔隙平均直径，m 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 织一 迂回度的分形维数 刃，一 孔隙分形维数 口一 孔隙直径与喉部直径的比 上述文献对分形理论的一些概念，如谱维数、h u r s t 数等进行了分析，谱 维数是联系分形介质的静态结构参数和工程的桥梁，而h u r s t 数的大小决定了 分形介质中扩散的快慢。分形理论架起了一座沟通多孔介质内部流动过程和多 孔结构之间的桥梁，必将成为研究多孔介质流动和传热过程的有效工具。 1 3 2 多孔介质中紊流的研究现状 紊流又称湍流，是自然界中常见的一种很不规则的流动现象。当惯性的影 响不断加强时，绝大部分流动都逐渐变为湍流。多孔介质内的流动要比自由流 体流动复杂得多，当雷诺数较大时，流体在孔隙间的流动发展为湍流。 理论上，随着多孔介质内流体流动速度的不断增大，逐渐呈现孔隙水平的 紊流。旋涡的分离和脱离是产生多孔介质内湍流的主要机型1 刀。多孔介质孔隙 率大的时候，孔隙内有旋涡继续发展的空间，可以保持能量的逐级传递过程， 因此具备湍流特征。在孔隙率小的时候，由上游固体产生的旋涡受到邻近固体 的阻碍，失去有效的能量逐级传递过程。所以在孔隙率较小的时候，由形状阻 力引起的湍流不能够维持。 多孔介质内流动类似于绕管道中的流动，当速度非常高的时候，贴近多孔 介质固体壁面的粘性扩散边界层非常薄，从而产生湍流，就像管内湍流流动。 也就是说，多孔介质内微观湍流流动受多孔介质结构的影响较小，受多孔介质 孔隙率的影响较大。可以说孔隙率大的时候湍流强度也大，孔隙率降低湍流强 度的也随之降低。 m a s u o k a 和t a k a t s u 1 7 】研究了由颗粒组成的多孔介质内湍流现象，验证了多 孔介质内微观湍流的特征，构建了多孔介质湍流流动的宏观方程，并阐明了高 r e 数情况，湍流引起的动量和能量传输之间的关系；a n t o h e 和l a g e t l 8 1 研究了多 孔介质内不可压缩流体的流动现象，研究表明粘性阻力对湍动能起抑制作用， 8 哈尔滨t 程大学硕l 学位论文 形状阻力在渗透率非常小的时候对湍流起阻碍作用，而在大渗透率条件下对湍 流起增强或者阻碍作用。 p r i n o s 1 9 】等人将圆管置入长方形管道内，视圆管区域为多孔介质区域；并且 用微观计算方法和实验方法研究了多孔介质内部和外部的湍流特性。多孔介质 渗透率在5 5 4 9 e 7 至4 1 0 7 e 一4 m 2 之间，多孔介质孔隙率在0 4 4 0 4 至0 8 2 8 6 之间。 长方形管道长度为1 2 m ，宽度为2 5 e r a ，高度为5 0 e m 。距离试验段入口8 m 处， 流体流动达到充分发展流动状态，并在此处进行数据的测量。 w h i t a k e r t 2 0 】利用二维质点轨迹测速法和折射率相匹配的方法，测量了一维 管道内多孔介质内部流体的流动。实验结果表明由颗粒直径定义的颗粒雷诺数 的大小决定湍流强度的大小。他们根据测量的相关数据计算了湍动能、湍动能 耗散率和雷诺应力，发现在多孔介质的上游区域湍流强度逐渐增大，在多孔介 质内部出现扰动，而在多孔介质后面的下游区域逐渐降低。 f a i l d 【2 1 l 、k e c e e i o g l u 署- i j i a n g l 2 2 】在圆管内装满球体视为多孔介质，对圆管内 水的流动进行了试验研究，研究表明，湍流区域的主要特征是压力降与速度有 二次方关系，类似于f o r e h h e i m e r 流动区域，但是渗透率和惯性系数又有别于 f o r e h h e i m e r 流动区域。因此，需要用双方程模型来表示整个流动区域，一个用 来表示d a r e y 和f o r e h h e i m e r 流动区域；另一个用来表示湍流区域。实验中他们 还发现，在f o r e h h e i m e r 流动区域，压力梯度随着多孔介质的突然减少而突变， 这种现象被认为是f o r c h h e i m e r 流动区域向湍流区域的转变过程。 s e g u i n ，m o n t i l l e t 掣2 3 】对转变为湍流流动的过程进行了试验研究。针对球 状颗粒的多孔介质，根据速度梯度扰动的光谱分析和流动特征长度的定义，发 现在流体流动区域内先是局部出现紊流流动，然后整个流动区域逐渐的都转变 为紊流流动；还发现在多孔介质内部出现不同的雷诺数，把这种现象解释为级 联变化。在高孔隙率( 0 9 一o 9 8 ) 泡沫陶瓷试验中，在研究的速度范围内没有出 现紊流流动。 l a g e 、a n t o h e 和n i e l d 2 4 对多孔介质内流体的流动进行了试验研究。试验 采用泡沫铝充当多孔介质，试验装置能精确地获得流动速度和压力降。通过试 9 ，证实这一流动区域与“3 m 分。还指出，流体 阻力系数是增加还是减少。 s e g i n ，m o n t i l l e t ，c o m i t i 2 5 】针对三种多孔介质内流动特性进行了研究，发 现不同类型多孔介质内流动特性有很大差异。试验中使用的三种多孔介质分别 是球状颗粒、横截面为正方形的柱体和不同等级的泡沫陶瓷。实验中，将微电 子探针插入到多孔介质内部和壁面区域，对d a r e y 流动区域的极限特性进行了 研究。在高孔隙率( 0 9 0 9 8 ) 泡沫陶瓷试验中发现，靠近壁面的流动区域和内 部流动区域流动特性很相似；在高雷诺数条件下，也可以保持在稳态的层流流 动。在球状颗粒多孔介质试验中，当孔隙雷诺数接近1 8 0 的时候，流动特性表 现为层流流动的极限特性；惯性阻力对压降的影响占到7 0 左右。 1 4 本文的选题与主要工作 对于多孔介质通道内流体流动的研究，迄今公开发表的相关研究文献已有 不少，但是大部分文献仅仅提供了一些实验结果和定性分析，没有做深层的机 理性研究或理论分析，使得目前的研究缺少相应的理论解释和支持。即便是实 验研究，由于各个实验的研究范围比较窄，尤其对紊流区没有较系统的研究。 另外，所采用的实验方法、实验条件及几何特征参数也各不相同，各个研究者 所得结论之间有较大的差异。因此，有必要对上述问题做进一步的研究。 本文的主要内容：实验台设计、安装和调试；对水平放置不同直径玻璃球 构成的多孔介质通道阻力压降进行实验研究，并根据实验数据处理分析得到对 应颗粒直径的多孔介质通道内流体的阻力变化特性。 l o 哈尔滨t 程大学硕上学位论文 第2 章实验系统和实验设计 2 1 实验装置系统 本实验装置系统流程图如图2 1 所示，照片如图2 2 所示。整个装置由循环 水系统、实验测量系统两部分组成。 2 34567 图2 1 实验回路简图 l 一水箱2 一水泵3 压力表4 一流量计5 试验段6 一波纹管 瑚度测管 图2 2 实验台照片 哈尔滨t 程大学硕上学位论文 2 1 1 循环水系统 循环水系统由水箱、水泵、调节阀、实验段、过滤器及其连接管路组成。 实验时，常温水由不锈钢离心泵从水箱抽出，经过滤器和涡轮流量计后， 送入实验段，流经实验段后，常温水通过管路返回到水箱。流量由实验段进出 口的调节阀和水泵出口的球阀调节。此外，为了使水温保持不变实验中要把水 箱的水适当排放，并注入一定自来水。 2 1 2 测量系统 本实验主要需要测量的参数有：实验段进出口水的流量、实验段两个测压 点的压差和压力以及水的温度、所以实验的测量系统主要由压力变送器、涡轮 流量计、铜康铜铠装热电偶、标准温度计、数据采集板以及计算机组成。 测量方法： ( 1 ) 水温由铠装热电偶测量。 ( 2 ) 流量和压力的测量。利用精度等级为0 5 级的涡轮流量计测量流量，压 差利用精度等级为0 2 级差压变送器测量，并利用数据采集系统进行数据的实 时采集。 2 2 实验段 为了使实验能够在高压下进行，实验段主体由不锈钢管和无色透明玻璃球 组成，实验主体设计图如图2 3 所示。 1 玻璃球的选择 根据近年来不少学者所研究的球形燃料元件与水直接接触的新概念反应 堆，其燃料元件外径的选择范围为2 8 m m 之间，本实验采用了与此相近的几 种外径的无色透明玻璃球，选择2 、3 、5 、8 m m 的无色透明玻璃球，将其填充 到不锈钢管内，以此来模拟球床水冷反应堆的堆芯结构，使实验所得到研究成 果有较高的参考价值。 为了使小球充分填紧，保证在实验过程中不会由于水流的冲击作用发生松 1 2 哈尔滨工程大学硕卜学位论文 而影响实验研究的准确性，填充小球时，采用高速水流冲击和振动的方 填充。 l 一内法兰；2 一螺栓；3 一不锈钢管；4 _ 测压环；5 一引压孔；6 一垫片；7 _ _ 外法兰； 8 一不锈钢塞；啦属网丝图 2 3 水平实验段结构图 2 不锈钢管的设计 选取外径为6 0 m m ，内径为5 0 m m ，长为4 2 0 m m 的不锈钢管，选取依据： ( 1 ) 使圆管能够承受较高的驱动压头。 ( 2 ) 不锈钢管直径过小时，与所选小球直径值接近，边界效应的作用会大大 增大，不利于实验的研究，若是不锈钢管的直径过大，管子很粗时，不利于与 实验回路衔接会造成明显的突扩突缩现象，管子变粗，玻璃球自然增多，使试 验段重量增大也不利于试验段的拆装。 ( 3 ) 在有不锈钢管的测压环布置位置开有4 个l m m 直径的小孔，以此来测量 多孔介质流体截面压力，并且可以很快排除测压孔和测压环内气泡。 3 测压环作用与设计 实验段入口压力测点布置在距入口端6 0 m m 位置，实验段出口压力测点布 置在距出口端6 0 m m 位置，来消除入口效应和出口效应的影响。测压环由四个 外径为5 m m 的不锈钢管分别与试验段的四个地方连接，然后由一根外径为 l o m m 的弯管引出。其结构如图2 4 所示。 哈尔滨t 程大学硕上学位论文 图2 4 测压环 4 带螺纹的不锈钢孔板和金属丝网的作用与设计 带螺纹的不锈钢孔板是为了固定玻璃球，布置在实验段两端。金属丝网的 作用是防止玻璃球从孔板中逸出。图2 5 ，为带螺纹的不锈钢孔板的设计图。 其中，孔板上的孔径如此设计是为了减小入口效应和出口效应，以及考虑到孔 板的面孔隙率与多孔介质通道面孔隙率的相似性。 c 厂 l c 图2 5 孔板 1 4 一再兽葺 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 3 实验台的调试与安装 2 3 1 实验回路的安装与调试 1 按照实验设计的要求先搭好实验台的骨架，然后固定实验段，固定时， 实验段不装球，将实验段固定在与实验段长度、宽度相当的支架上，然后将实 验段和支架一起固定到实验台架上。 2 将各个部分通过管道连接到实验台架上，管道之间的需要拆装部件连 接用螺纹连接。 3 关紧试验段下游的针阀，和与水箱连接的球阀，把打压器接在压力表 的接口处。把压力打到2 m p a ，检查是否会溢出水，并作上记号。 4 把溢出的水清理掉，查看记号，逐个解决问题。 5 复进行操作3 、4 直到没有溢出水为止。 6 干净水箱，灌上足够的水。 7 将水泵的电线接好，将实验段上的引压管堵死。 8 启动水泵，将回水通道的球阀打开，并将回路上的各个阀门全部打开 水经过实验段，然后回到水箱。 2 3 2 测量仪表的安装 本文主要对实验选取的压差变送器的安装方法和注意事项进行了介绍。变 送器和导压管的正确安装非常重要，变送器及其导压管安装的正确与否直接 影响测量精度，因此，安装时应安装在温度梯度和湿度变化小，无冲击和振动 的地方。此外，在压力信号的传输过程中，水的泄露、管路中的汽体、以及导 压管之间温度不同引起的密度差等，都会引起压头误差，所以在实验中要注意 这些问题。 实验中，为减小误差，导压管应尽可能的短些；导压管道的布设要避免出 现高点；两导压管保持相同的温度；为避免摩擦影响，导压管的口径应足够大； 充满液体的导压管应无气体存在；导压管要用材质较硬的管子，软管对压力的 传递有削弱的影响。此外，为了使气泡更易排走，导压管要尽可能的短。在安 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 装变送器时，一定要保持水平，变送器入口接头的中心应在同一水平。 2 3 3 测量仪表的标定 1 涡轮流量计的标定 将涡轮流量计的电路接完后，对涡轮流量计进行校准。 校准方法：将涡轮流量计线路接到采集板，回路阀门全部打开，打开水泵。 一边在电脑上采集数据，一边用称重法测量流量，称为实际流量值。校准时， 主要是观测采集值与实际值的线性度。如图2 6 2 7 所示。 从图2 6 和图2 7 可以看出，两块仪表的线性度极好，可以用来进行 流量的测量。 o 号 趔 监 林 图2 60 6 _ 4 m 3 m 涡轮流量计的校准 1 6 哈尔滨t 程大学硕：i 二学位论文 o 9 0 8 、o 7 i 捌 酗e o 5 0 4 0 40 50 60 70名09 采集值( k g l s ) 图2 71 6 1 0 m 3 h 涡轮流量计的校准 2 4 实验操作步骤及注意事项 2 4 1