壁面過冷沸騰是在特定的熱力學(xué)條件下，發(fā)生在固體壁面附近的沸騰現(xiàn)象。在核反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，壁面過冷沸騰通常出現(xiàn)在熱流密度較高、熱流體與壁面之間的傳熱溫差較大的區(qū)域。壁面過冷沸騰的發(fā)生會導(dǎo)致壁面附近流體溫度驟降，產(chǎn)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(dǎo)致流體的熱力學(xué)狀態(tài)和流動特性發(fā)生顯著變化。這些變化可能會對反應(yīng)堆的運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。

壁面沸騰物理現(xiàn)象及不同流型

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

均勻加熱的平面壁與垂直流接觸的沸騰現(xiàn)象

本算例使用流體仿真軟件VirtualFlow對流經(jīng)管道的氟利昂R12的壁面沸騰過程進(jìn)行模擬，與DEBORA試驗(yàn)數(shù)據(jù)及NEPTUNE_CFD、ANSYS CFX模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)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(yàn)（參考文獻(xiàn)[1]）的過冷沸騰現(xiàn)象。

流經(jīng)管道的氟利昂R12的壁面沸騰過程模型如圖1所示：進(jìn)入垂直管道的湍流，直徑為0.0192米；流體從底部進(jìn)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(wěn)態(tài)模擬，指定基于入口速度的邊界（零梯度）。在x坐標(biāo)為4.5米的直徑上進(jìn)行測量。采用不可壓縮模型、代數(shù)滑移兩相流模型進(jìn)行模擬。

圖1 模型示意圖

針對不同工況進(jìn)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(wǎng)格單元，徑向上有41個網(wǎng)格單元，在入口處和靠近墻壁處進(jìn)行網(wǎng)格加密。

對壁面沸騰測試不同工況（Case-1至Case-8，見表1）進(jìn)行研究。

Case-1至Case-7數(shù)據(jù)取自Vyskocil＆Macek（2008）（參考文獻(xiàn)[2]）；Case-8數(shù)據(jù)取自Krepper＆Rzehak（2011）（參考文獻(xiàn)[3]）。

氟利昂R12流體的飽和溫度設(shè)定為367.27K，潛熱為104kJ/kg，壁面熱通量邊界條件設(shè)定為58.26kW/m²。對于不同工況，改變?nèi)肟跍囟群土魉佟τ贑ase8，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(shù)是在液態(tài)氟利昂R12中氣相的氣泡直徑。對于所使用的代數(shù)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(jié)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(yàn)數(shù)據(jù)、Vyskocil＆Macek（2008）模擬結(jié)果、Krepper＆Rzehak（2011）模擬結(jié)果進(jìn)行對比，得到圖2-圖9.

說明：

1. DEBORA實(shí)驗(yàn)在CEA Grenoble進(jìn)行，作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集；

2. Vyskocil＆Macek（2008）通過FLUENT及NEPTUNE-CFD（CEA、EDF等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)）進(jìn)行模擬分析；

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

圖2 Case-1 結(jié)果對比 

圖3 Case-2 結(jié)果對比 

圖4 Case-3 結(jié)果對比 

圖5 Case-4 結(jié)果對比 

圖6 Case-5 結(jié)果對比 

圖7 Case-6 結(jié)果對比 

圖8 Case-7 結(jié)果對比 

圖9 Case-8 結(jié)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(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[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.