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含内热源多孔介质通道内流动沸腾两相压降的预测

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第48卷第2期 2014年2月 原子能科学技术 Vo1.48,NO.2 Feb.2014 Atomic Energy Science and Technology 含内热源多孔介质通道内流动沸腾 两相压降的预测 张小宁,孙中宁,孟现珂,徐广展 (哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:为预测含内热源多孔介质通道内流动沸腾的两相阻力压降,以Ergun方程为基础,定义了多孔介 质通道的Chisholm参数y和全液相折算因子 。。。通过理论分析和实验数据测量,明确了出口质量含 气率 、质量流速G和小球直径d等对参数y和 i。的影响,并提出1个Lockhart—Martinelli(L—M)类型 的两相阻力压降关系式。与文献中的其他公式相比,本工作提出的公式对实验结果能做出更好的预测。 关键词:两相压降;流动沸腾;多孔介质;内热源 中图分类号:TL333 文献标志码:A 文章编号:1000—6931(2014)02—0241—05 doi:10.7538/yzk.2014.48.02.0241 Prediction of Two。phase Pressure Drop During Flow Boiling in Porous Media Channel Wi th Internal Heat Source ZHANG Xiao—ning,SUN Zhong—ning,MENG Xian—ke,XU Guang—zhan (Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:Based on Ergun equation,the Chisholm parameter Y and two—phase multiplier Io for porous media channel were defined to predict two—phase pressure drop during flow boiling in porous media channel with internal heat source.Effects of exit quality ,mass flux G and particle diameter d on parameters Y and 10 were identified by theoretical analysis and experimental measurements.A Lockhart—Martinelli(I,M)type correlation for predicting two—phase pressure drop was proposed and it can make more reasonable predictions to experimental results than other correlations available in literature. Key words:two—phase pressure drop;flow boiling;porous media;internal heat source 多孑L介质通道内气液两相的流动特性受到 石油化学工业、核能开发利用、地热资源开采和 的研究课题之一。闫晓等Ⅲ和廖永浩嘲对多孔 介质内两相流动的研究进行了较全面的探讨, 电子组件冷却等领域的广泛关注,对流动过程 中的两相阻力压降进行预测是这些领域中重要 对两相流动阻力压降的计算模型和预测公式进 行了总结。已有的多孔介质内两相流动的理论 收稿日期:2012—1卜12;修回日期:2013-01—06 基金项目:国家自然科学基金资助项目(11075042) 作者简介:张小宁(1989一),男,山西大同人,硕士研究生,核能科学与工程专业 242 模型和计算公式绝大部分是基于绝热条件下空 气和水的实验数据建立的,不涉及相态的变化。 张楠等l_3 ]对绝热多孔介质通道内气液两相流 的阻力特性进行了实验研究,并对两相流型做 了可视化观察,建立了两相压降与流型之间的 对应关系。目前,关于多孔介质通道内流动沸 腾过程中两相阻力压降的研究并不充分。Naik 等[5 针对水在直径为0.59~O.79 mm的钢球形 成的多孔介质床内受热沸腾的情形,提出了一 计算两相流动总压降的经验关系式。孟现珂 等[6铷对含内热源球床通道内的单相对流换热 特性进行了系统地实验研究。 本文在文献[6-9]基础上,利用直径为 5 mm和12 mm的表面氧化碳钢球填充形成多 孔介质通道,采用电磁感应的方式对球床整体 加热,在常压下获取含内热源多孔介质通道内 水的流动沸腾压降数据,以此为基础提出1个 Lockhart-Martinelli(L—M)类型的两相阻力压 降预测关系式。 l 阻力压降的基础预测模型 多孔介质内的单相阻力压降通常使用 Ergun[1。。方程进行预测,该方程综合考虑了流 动过程中的黏性效应和惯性效应对阻力压降的 影响: Ap—A +B ㈩ 其中:△ 为阻力压降,MPa;△L为测压段长 度,m;£为孔隙率;d为小球直径,m; 为流体 的动力黏度,Pa・S;p为流体的密度,kg・m1 ; “为表观流速,m・s-。;A和B为实验确定的 经验常数。 多孔介质通道的结构参数列于表1。 表1 多孔介质通道的参数 Table 1 Parameters of porous media channel 对式(1)做如下变形: △L 一 £。 G 2(AR _…~ m +…B)  (2) 原子能科学技术 第48卷 一 ㈦ “ 1一£ 其中:G为表观质量流速,kg・m ・s一 ;Re 为 修正雷诺数。 令: RP 一 P +B (4) 由式(2)~(4)可得到: △ £L一 。 L[ 1 (一£ ])  ㈣ … 志一 ㈦ 两相流中气相或液相单独流过多孔介质通 道的阻力压降梯度为: ( ) 一 [者 ] ,△ 1—1一e G (1一z) rG(1一z) ] \△L/l e。P】d L/ll(1一£) (8) 式中,32为两相流动系统的流动质量含气率。 与两相总质量流速相等的等效气相或液相 通过多孔介质通道的阻力压降梯度为: ( ) ] 。 ( ) 。一 r㈣ 2 Chisholm参数y Larkins等[“ 和Midoux等[ 采用与 Lockhart—Martinelli处理常规通道中两相摩擦 压降数据类似的方法,在预测绝热条件下多孑L 介质通道内两相流动阻力压降时引入分液相折 算因子 。和Martinelli参数X,建立了 与X 的关系式。cI2。和 分别定义为: √ …) √ 式中,(Ap/AL) 。为两相阻力压降梯度。 联立式(7)、(8)、(12)可得: x 一 学G 州 s (13) X体现了流动质量含气率、流体物性和多 孔介质结构参数等对两相阻力压降的影响。在 液体受热沸腾的两相流动系统中,因z沿流动 第2期 张小宁等:含内热源多孔介质通道内流动沸腾两相压降的预测 243 方向不断变化,不便于得到确定的z来计算 X。因此,Chisholm针对常规通道中的流动沸 腾定义了新的参数yE¨]: 有关预测常规通道中流动沸腾两相摩擦压降的 研究,对 。定义如下: 一y一 (14) 蕊 (18) 多孔介质通道内流动沸腾的Chisholm参 数y可通过联立式(9)、(10)、(14)得到: l心一 G g0一^I。 一^I。(1一£) 【o一 g。 (15) 其中: k,0一 k.。一 lg/Kem.10 (17) G/(kg・m-2.s一 ) 图1 G和d对Chisholm参数y的影响 对于本实验的Ergun常数A和B,函数 f(Re )一lg(ARC. +B)/lg Re 在Re >O的 Fig.1 Effects of G and d on Chisholm parameter Y 范围内是单调变化的,即只有当 -与 相等 时才会使k 。等于志 。在低于临界压力的情况 利用实验结果计算得到的西。。示于图2。 由图2可看出,多孔介质通道内流动沸腾的全 下, 不等于 ,则k-。和kgo不相等,于是由式 (15)定义的Chisholm参数y不仅表征了流体 的物性,其同时也受到质量流速G及多孑L介质 的结构参数d和e的影响。图1示出质量流速 G和小球直径d对Chisholm参数y的影响。 由图1可见,Chisholm参数y随质量流速的增 加而增大,随小球直径的增大而减小。 液相折算因子 。受到通道出口质量含气率 z 、流体的质量流速G及形成多孔介质的小球 直径d的影响。通道出口质量含气率增加时, 全液相折算因子增大;质量流速增加时,全液相 折算因子减小。球径对全液相折算因子的影响 与出口质量含气率有一定的关系。在图2b所 示的出口质量含气率范围内,球径增加,全液相 折算因子增大。 3两相流动阻力压降预测关系式 在液体受热沸腾的两相流动系统中,质量 含气率 沿流动方向不断变化,绝热状态下定 义的分液相折算因子 .的值不便于确定,此时 使用全液相折算因子 。更为方便。参照 Martinelli—Ne1son[14 ̄、Thornrls ̄及Chisholmrla? 综合上述各影响因素,全液相折算因子 可表示为z 、G和d的函数,即: 。一F( ,G, ) (19) 考虑到式(14)定义的Chisholm参数y不 仅表征了流体的物性,同时也体现了质量流速 G及多孔介质的结构参数d和£的影响,参照 图2 出口质量含气率与全液相折算因子的关系 Fig.2西lo vs.z。 244 原子能科学技术 第48卷 Chisholm两相压降预测关系式_l ,将式(19) 具体表示为如下形式: 南一1+(y 一1)[. (1一z。)+z ] (20) 其中,I1为参数。 式(2o)的边界条件为: 一。时,( ) 。: ( )∥z =1时 一aP)t一p…Ap) 图3示出不同y时r与z 的关系。由 图3可见,参数r与X 之间呈线性变化关系, 且不同Chisholm参数y对应不同的直线,故 将r表示成y和z。的幂指数的形式,即: r—aY z: (21) 其中,a、m、 为通过实验数据确定的经验常数。 图3不同y时r与z 的关系 Fig.3 I1 VS.z for different Chisholm parameter Y 对实验数据回归拟合得到,n一1.628× 10。, 一一5.832,n一一1.022。式(21)的适用 范围为:12.3 kg・m ・s <G<38.1 kg・ m一 ・S一,0< d0.53。 利用式(2O)和(21)计算得到的全液相折算 因子 。。与本文实验值的比较示于图4,其中小 球直径d一12 mm,质量流速G一37.9 kg・ m ・S~,图4中同时示出Naik关系式_5]和 植田辰洋关系式_1 的计算结果。Naik关系式 是基于颗粒直径为0.59~0.79 mm的球体堆 积床在质量流速小于2.78 kg・m ・S 情况 下的沸腾压降数据得到的,其计算值比本文实 验值大1~2个数量级。植田辰洋关系式是计 算常规通道中流动沸腾摩擦压降常用的公式, 其计算结果与本文实验值最大相差160 。本 工作提出的式(2O)、(21)对实验结果做出了很 好的预测,相对偏差在±20 以内。 图4公式预测值与本文实验值的比较 Fig.4 Comparison of evaluated and experimental values 4 结论 1)多孔介质通道的Chisholm参数y不仅 表征了流体的物性,同时也受到质量流速G及 多孔介质的结构参数d和e的影响。 2)全液相折算因子 随出口质量含气率 的增加而增大,随质量流速的增加而减小;球径 增加,全液相折算因子增大。 3)利用本工作提出的Lockhart—Martinelli 类型公式能对含内热源多孔介质通道内流动沸 腾的两相阻力压降做出很好的预测,与实验值 的相对偏差在±2O%以内。 参考文献: [1] 闫晓,肖泽军,黄彦平,等.多孔介质中流动换热 特性的研究进展EJ].核动力工程,2006,27(1): 77—78. 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