海洋條件下窄矩形通道自然循環(huán)流動(dòng)阻力特性

王江文 宋鴻鵠 何川 熊飛飛 李松發(fā) 鄒全

x摘 ? 要：對(duì)海洋條件下窄矩形通道內(nèi)自然循環(huán)流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，搖擺對(duì)層流摩擦阻力系數(shù)影響有限，但對(duì)湍流摩擦阻力系數(shù)影響較大，并對(duì)其理論計(jì)算公式進(jìn)行修正，修正后的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。對(duì)過(guò)渡區(qū)，擬合出新的摩阻系數(shù)計(jì)算公式。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)在正向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)比負(fù)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)小。增大振幅、頻率，減小功率均會(huì)促進(jìn)轉(zhuǎn)捩，但對(duì)正向運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響更顯著。

關(guān)鍵詞：自然循環(huán) ?矩形通道 ?海洋條件

中圖分類號(hào)：TL33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0065-03

自福島事件以來(lái)，監(jiān)管部門及社會(huì)公眾對(duì)核能系統(tǒng)的安全性提出更高的要求。由于不需要外部能源的輸入，自然循環(huán)成為事故條件下保證堆芯安全的重要手段[1]。窄矩形通道換熱面積大，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛應(yīng)用在船舶動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。但船舶行駛中受到海洋條件影響產(chǎn)生搖擺等運(yùn)動(dòng)，使冷卻劑承受附加力，并周期性波動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但國(guó)內(nèi)外研究主要集中于圓管內(nèi)自然循環(huán)流動(dòng)[2-5]，缺少對(duì)窄矩形通道的研究[6-9]。本文對(duì)海洋條件下窄矩形通道自然循環(huán)流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 ?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置及參數(shù)

對(duì)加熱流動(dòng)，壁面溫度比流體高，在緊貼壁面的邊界層內(nèi)形成較大的溫度梯度，而粘性降低，從而使通道內(nèi)流體速度分布更加平坦。由圖3可知負(fù)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要處于熱流密度上升區(qū)域，其壁面與主流流體溫差比正向運(yùn)動(dòng)過(guò)程大，溫度梯度大，其在近壁面附近速度梯度變得更大，導(dǎo)致壁面附近流體速度曲率減小，因此邊界層內(nèi)流動(dòng)也更穩(wěn)定，層流化趨勢(shì)加強(qiáng)，其轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)Rec較大。

增大振幅、頻率，減小功率均會(huì)使Rec減小，即促進(jìn)轉(zhuǎn)捩。這是因?yàn)樵龃笳穹c頻率，搖擺更加劇烈，搖擺引起的擾動(dòng)更加強(qiáng)烈，使粘性不足以耗散掉擾動(dòng)，轉(zhuǎn)捩提前發(fā)生。而降低功率相當(dāng)于減小壁面附近流體溫度梯度，增大速度曲率，減弱層流化趨勢(shì)。以上因素對(duì)正向運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響更顯著。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文以去離子水為工質(zhì)，對(duì)搖擺條件下窄矩形通道內(nèi)自然循環(huán)流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)。

（1） 搖擺對(duì)層流流動(dòng)特性影響有限，對(duì)湍流流動(dòng)特性影響較大。

（2） 正向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)捩Re比負(fù)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)捩Re小。增大振幅、頻率，減小功率均會(huì)促進(jìn)轉(zhuǎn)捩，但對(duì)正向運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響更顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] ZVIRIN Y.A review of natural circulation loops in pressurized water reactors and other systems[J].Nuclear Engineering and Design，1981（67）：203-225.

[2] P. Naphade， A.Borgohain， R.ThundilKaruppa Raj， etal. Experimental and CFD Study on Natural circulation Phenomenon in Lead Bismuth Eutectic Loop[J].Procedia Engineering，2013（64）：936-945.

[3] YANG R C， LIU R L， ZHONG Y， et al. Experimental study on convective heat transfer of water flow in a heated tube under natural circulation[J].Nuclear Engineering and Design，2006（236）：1902–1908.

[4] Tan S C， SU G H， GAO P Z. Experimental and theoretical study on single-phase natural circulation flow and heat transfer under rolling motion condition[J]. Applied Thermal Engineering 2009（29）：3160–3168.

[5] WANG C， LI X H， WANG H， et al. Experimental study on single-phase heat transfer of natural circulation in circular pipe under rolling motion condition[J].Nuclear Engineering and Design，2014（273）：497-504.

[6] 幸奠川. 搖擺對(duì)矩形通道內(nèi)流動(dòng)阻力特性的影響研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[7] 謝清清，閻昌琪，曹夏昕，等.窄矩形通道內(nèi)單相水阻力特性實(shí)驗(yàn)研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46（2）：181-185.

[8] 譚思超，王占偉，蘭述，等.搖擺運(yùn)動(dòng)下窄矩形通道單相瞬變流動(dòng)時(shí)均阻力特性研究[J].核動(dòng)力工程，2013（34）：51-54.

[9] 閻昌琪，幸奠川，曹夏昕，等.搖擺條件下窄通道內(nèi)單相水流態(tài)轉(zhuǎn)捩特性[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（6）：791-795.

[10]M.Spiga， G.L.Morini. A symmetric solution for velocity profile in laminar flow through rectangular ducts[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，1994，21（4）：469-475.

[11]LEON T. ROMAN U. Two-phase gas-liquid flow in rectangular channels[J].Chemical Engineering Science，1984，39（4）：751-765.