壁面過冷沸騰是在特定的熱力學條件下，發生在固體壁面附近的沸騰現象。在核反應堆運行過程中，壁面過冷沸騰通常出現在熱流密度較高、熱流體與壁面之間的傳熱溫差較大的區域。壁面過冷沸騰的發生會導致壁面附近流體溫度驟降，產生大量汽泡。這些汽泡可能會迅速成長并逸出到主流流體中，從而導致流體的熱力學狀態和流動特性發生顯著變化。這些變化可能會對反應堆的運行產生重要影響。

壁面沸騰物理現象及不同流型

為了確保核反應堆的安全和高效運行，在反應堆設計和運行過程中，需要對壁面過冷沸騰進行充分的評估和控制，以避免其對反應堆性能和安全產生不利影響。

均勻加熱的平面壁與垂直流接觸的沸騰現象

本算例使用流體仿真軟件VirtualFlow對流經管道的氟利昂R12的壁面沸騰過程進行模擬，與DEBORA試驗數據及NEPTUNE_CFD、ANSYS CFX模擬結果進行對比，驗證VirtualFlow軟件模擬計算壁面沸騰的可靠性。

模型介紹

該算例模擬了DEBORA試驗（參考文獻[1]）的過冷沸騰現象。

流經管道的氟利昂R12的壁面沸騰過程模型如圖1所示：進入垂直管道的湍流，直徑為0.0192米；流體從底部進入，其中入口段（1m）為絕熱；流體在流出絕熱出口段（0.5m）之前，將壁面熱通量邊界條件施加到管道中間的3.5m部分。對于穩態模擬，指定基于入口速度的邊界（零梯度）。在x坐標為4.5米的直徑上進行測量。采用不可壓縮模型、代數滑移兩相流模型進行模擬。

圖1 模型示意圖

針對不同工況進行模擬

通過VirtualFlow軟件建立2D軸對稱模型，流動方向上有751個網格單元，徑向上有41個網格單元，在入口處和靠近墻壁處進行網格加密。

對壁面沸騰測試不同工況（Case-1至Case-8，見表1）進行研究。

Case-1至Case-7數據取自Vyskocil＆Macek（2008）（參考文獻[2]）；Case-8數據取自Krepper＆Rzehak（2011）（參考文獻[3]）。

氟利昂R12流體的飽和溫度設定為367.27K，潛熱為104kJ/kg，壁面熱通量邊界條件設定為58.26kW/m2。對于不同工況，改變入口溫度和流速。對于Case8，飽和溫度為331K和360K，潛熱為116kJ/kg和86kJ/kg，壁熱通量分別為76.26kW/m2和73.89kW/m2。

不同工況下，需改變的最后一個參數是在液態氟利昂R12中氣相的氣泡直徑。對于所使用的代數滑動模型，這是一個很重要的值，其值來自Vyskocil＆Macek（2008）和Krepper＆Rzehak（2011）。

計算結果

通過VirtualFlow模擬計算得到不同工況下空泡份額的徑向分布，并與DEBORA試驗數據、Vyskocil＆Macek（2008）模擬結果、Krepper＆Rzehak（2011）模擬結果進行對比，得到圖2-圖9.

說明：

1. DEBORA實驗在CEA Grenoble進行，作為實驗數據集；

2. Vyskocil＆Macek（2008）通過FLUENT及NEPTUNE-CFD（CEA、EDF等機構聯合開發）進行模擬分析；

3. Krepper＆Rzehak（2011）通過Ansys CFX進行模擬分析。

圖2 Case-1 結果對比

圖3 Case-2 結果對比

圖4 Case-3 結果對比

圖5 Case-4 結果對比

圖6 Case-5 結果對比

圖7 Case-6 結果對比

圖8 Case-7 結果對比

圖9 Case-8 結果對比

對比分析圖2-圖9，表明VirtualFlow模擬壁面沸騰均能得到合理的結果。

參考文獻

[1] Garnier, J., Manon, E. & Cubizolles, G. 2001 Local measurements on flow boiling of refrigerant 12 in a verticaltube. Multiphase Science and Technology 13, 1-111.

[2] Vyskocil, L. & Macek, J. 2008 Boiling flow simulation in neptune cfd and fluent codes. In Proceedings of the workshop on Experiments and CFD Code Application toNuclear Reactor Safety (XCFD4NRS) (ed. C.Chauliac), pp. 10-12.

[3] Krepper, E. & Rzehak, R. 2011 Cfd for subcooled flow boiling: Simulation of debora experiments. Nuclear Engineering and Design 241, 3851-3866.