应用两流体模型的偏滤器极限热流预计方法研究.docx

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1、应用两流体模型的偏滤器极限热流预计方法研究王海滨（武夷山大学）摘要：临界热流预测准确性对水冷偏滤器设计十分重要。针对两流体模型在过冷沸腾计算中无法对膜态沸腾阶段进行有效计算的问题，采用含汽量分布函数的方法来描述气泡流、搅拌流和弥散流等不同阶段两相流动机制的变化，从而提高不同流动机制下两相界面传输和壁面换热的计算准确度，以实现模型对过冷膜态沸腾阶段的有效计算。改进前后模型的计算结果表明，改进前的两流体沸腾模型无法模拟出热负荷达到临界热流时的壁面温度突升现象，而修正后的模型有效模拟出了这一现象；通过与Ronald等人的试验数据对比，计算得到的临界热流值误差约

2、为40%。关键词:水冷偏滤器；临界热流；数值模拟；沸腾换热；两流体模型中图分类号：TL62+6文献标识码：A1引言偏滤器是托卡马克聚变装置中排除杂质和输出反应能的关键部件，目前大多采用水冷，其临界热流（CriticalHeatFlux，CHF）是影响聚变装置安全性的重要限制性参数。对于偏滤器CHF的预测国内外学者通过理论和实验研究，提出了许多半机理模型和经验关系式[1-3]。这些模型和关系式对其试验范围内的工况和换热结构适用性强，而对于新型换热结构的偏滤器临界热流预测准确度不足，数值模拟CHF预测方法是新型偏滤器冷却结构设计优化的有效手段[4]。高热流管

3、流中临界热流发生在过冷沸腾状态下，对过冷沸腾进行数值模拟目前主要有两种方法，分别为采用两流体沸腾模型[5]和欧拉均相流沸腾模型[6]进行数值计算，其中两流体沸腾模型可通过其自定义子模型完整地描述过冷沸腾状况下的各种复杂机制，因此被广泛地应用于各种规则截面管道内沸腾两相流的计算与分析[7]。而EckhardKrepper等人[4]和Y.Bournonville等人[8]在对不同的过冷沸腾工况进行数值模拟时，均发现现有模型对于过冷核态沸腾阶段的计算比较准确，但无法对过冷沸腾膜态阶段进行有效计算。针对该问题，本文采用含汽量分布函数的方法[9]来描述气泡流、搅拌

4、流和弥散流等不同阶段两相流动机制的变化，从而提高不同流动机制下两相界面传输和壁面换热的计算准确度，以实现模型对过冷膜态沸腾阶段的有效计算。并拟采用Ronald等人[10]的低热流试验数据对改进方法的准确性进行验证，以期为新型水冷偏滤器设计提供有效的临界热流预测方法。2过冷沸腾两流体模型及修正2.1相间热质传递根据RPI模型[5]，通过固体壁面传递给流体的热通量qW可以分为3部分：液相对流传热qC，由于液体冲击气泡脱离处壁面导致的激冷传热qQ和蒸发传热qE，即：qW=qC+qQ+qE(1)其中：qC=hc(Tw-Tl)(1-Ab)(2)qQ=2klπλlT

5、(Tw-Tl)(3)qE=πdw3Nwρvifgf/6(4)其中hc是单相对流换热系数，W/(m2k)；Tw和Tl分别为壁面温度和液体温度，K；Ab=min⁡(1,KNwπDw24)是壁面上气泡所占面积比；kl是液相导热系数，W/(m·k)；T是时间周期，s；λl=klρlCpl是扩散系数，m2/s；dw是由Tolubinsky关系式[11]决定的气泡脱离直径，m；Nw=C1.085(Tw-Tsat)210是气化核心密度，ρv是气体密度，kg/m3；ifg是产生蒸汽的汽化潜热，J/kg；f是气泡脱离频率，f=1T=4g(ρl-ρv)3ρlDw。这样，近壁

6、单元中存在的液体蒸发传质速率由蒸发热流决定：mE=qEifg+Cp,l∆Tsub(5)在液体主流区，从壁面脱离的气泡被冷凝，其传质、传热速率可以表示为：ml=max⁡(hlvTsat-TlAlvHlv,0)(6)Qlv=mlHlv(7)式中，hlv为由Ranz-Marshall关系式决定的相间传热系数，Alv=6α/db，其中db为气泡直径，α为空泡份额。2.2相间动量传递过冷沸腾汽液两相间的动量传输通常表示为界面力的形式，包括曳力FD，升力Flift，湍流耗散力Ftd，壁面润滑力Fwl。两相间总的作用力Flv为以上各力之和：Flv=FD+Flift+F

7、td+Fwl(8)其中各力的具体表达参考文献[11]。2.3模型修正在壁面沸腾中，临界热流现象发生的特征是换热系数的急剧下降和壁面温度的迅速上升。在临界热流条件下，壁面将不再被液体润湿，而被气体占据，此时能量直接由壁面传入气体。这样，壁面传热机制发生改变，式1将不再适用。另外，气体占据壁面使壁面附近的气相由离散的变为连续的，壁面附近的流动机制发生改变，这导致基于气泡是离散的这一前提提出的对各个物理量进行计算各种经验关系式不再适用。此时，需对两流体沸腾模型进行修正。（1）壁面热流分配模型修正由于临界热流发生后，壁面大部分被气体占据，使用下述函数来对壁面热流

8、分布进行修正[9]：qw=qC+qQ+qEfαl+1-fαlqV(9)其中qC、