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纳米颗粒可以改变溴化锂溶液的表面张力,从而促进其传热传质效果.利用Wilhelmy平板法研究了温度、溶液浓度、分散剂和纳米颗粒添加量等因素对溴化锂溶液表面张力的影响.结果表明,溴化锂溶液表面张力随溶液浓度和纳米颗粒添加量的增加而增大,随温度和分散剂添加量的增加而减小.分散剂的添加量存在最佳值,此时溶液表面张力趋于稳定,且稳定纳米溴化锂溶液的表面张力是分散剂和纳米颗粒耦合作用的结果.并拟合出溶液温度25～60℃、溶液浓度50％～59％、分散剂质量分数0～5％、纳米颗粒质量分数0～0.2％时,稳定纳米溴化锂溶液的表面张力半经验模型.

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半经验模型 表面张力 溴化锂溶液 分散剂 纳米颗粒

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纳米颗粒可以改变溴化锂溶液的表面张力,从而促进其传热传质效果。利用Wilhelmy平板法研究了温度、溶液浓度、分散剂和纳米颗粒添加量等因素对溴化锂溶液表面张力的影响。结果表明,溴化锂溶液表面张力随溶液浓度和纳米颗粒添加量的增加而增大,随温度和分散剂添加量的增加而减小。分散剂的添加量存在最佳值,此时溶液表面张力趋于稳定,且稳定纳米溴化锂溶液的表面张力是分散剂和纳米颗粒耦合作用的结果。并拟合出溶液温度25～60℃、溶液浓度50%～59%、分散剂质量分数0～5%、纳米颗粒质量分数0～0.2%时,稳定纳米溴化锂溶液的表面张力半经验模型。

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半经验模型 表面张力 溴化锂溶液 分散剂 纳米颗粒

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筛选了5种典型的变频压缩机稳态性能仿真模型对拟合精度与频率内插预测能力进行对比分析,并通过预测建模数据频率范围之外的工况考察了各模型的外推能力.结果表明,各模型在预测转子和涡旋压缩机性能时精度均很高,质量流量与功率的拟合误差均＜6％,而预测往复式压缩机时总体偏大,最大误差＞10％;在相同条件下,半经验模型的拟合精度普遍优于经验模型,经验模型需增加建模数据量并减小建模数据的频率间隔以提高精度;半经验模型中,模型三对3种型式变频压缩机质量流量和功率的内插与外推预测精度均最高,表明半经验模型在一定程度上通过物理修正可改善内外插值预测性能.

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变频压缩机 仿真模型 内插 外推

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筛选了5种典型的变频压缩机稳态性能仿真模型对拟合精度与频率内插预测能力进行对比分析,并通过预测建模数据频率范围之外的工况考察了各模型的外推能力。结果表明,各模型在预测转子和涡旋压缩机性能时精度均很高,质量流量与功率的拟合误差均<6%,而预测往复式压缩机时总体偏大,最大误差> 10%;在相同条件下,半经验模型的拟合精度普遍优于经验模型,经验模型需增加建模数据量并减小建模数据的频率间隔以提高精度;半经验模型中,模型三对3种型式变频压缩机质量流量和功率的内插与外推预测精度均最高,表明半经验模型在一定程度上通过物理修正可改善内外插值预测性能。

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变频压缩机 仿真模型 内插 外推

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筛选了5种典型的变频压缩机稳态性能仿真模型对拟合精度与频率内插预测能力进行对比分析,并通过预测建模数据频率范围之外的工况考察了各模型的外推能力。结果表明,各模型在预测转子和涡旋压缩机性能时精度均很高,质量流量与功率的拟合误差均 10%;在相同条件下,半经验模型的拟合精度普遍优于经验模型,经验模型需增加建模数据量并减小建模数据的频率间隔以提高精度;半经验模型中,模型三对3种型式变频压缩机质量流量和功率的内插与外推预测精度均最高,表明半经验模型在一定程度上通过物理修正可改善内外插值预测性能。

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变频压缩机 仿真模型 内插 外推

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核电作为低碳高效的能源，在工农业及居民用电和国民经济发展中发挥着十分重要的作用。核电的发展和使用过程中安全是首要任务。反应堆堆芯中，冷却剂经由燃料棒和格架组成的子通道流动，带走核裂变产生的能量。在这个过程中，无论是正常运行还是事故状态下，堆芯子通道内总会产生两相流动，因此成为反应堆热工水力分析中的重要研究方向。燃料格架作为堆芯中的最重要的部件之一，一方面为燃料棒束提供结构机械支撑，另一方面作为搅混装置促进棒束通道间冷却剂的交混。当气泡在子通道内运动且经过格架时，在不同工况下气泡的行为存在差异，这会对堆芯内两相分布和局部热工水力参数产生重要影响，进而影响反应堆运行的安全性。因此在反应堆安全分析中，需要对子通道内气泡的行为和两相分布进行更加精确的预测和分析。 本论文针对典型压水堆燃料棒束子通道内气泡的运动特性和两相分布开展研究。首先针对不同开放程度的子通道内气泡行为和流动分布的可视化观测，设计了一个带搅混格架的5×5棒束的流动可视化实验段和2×1双通道的流动可视化实验段。针对气泡观测的需求，设计出内外结合的注气方法，其产生的气泡连续、均匀且易控制，适合气泡运动的连续观察和测量；同时，FEP管和有机玻璃流道盒的设计提供了极高的光学观测性能，保证实验观测的需求。最后对实验段及回路进行标定，结果表明回路和实验段各系统工作稳定且误差等控制在可接受范围内，具备开张流动观测试验的能力。 其次，开发出一整套数字图像处理工具，对气泡的运动行为进行量化。通过该套工具，获得了不同工况下的气泡尺寸、运动速度、分散锥角和宽度等量化数据，作为后续气泡运动特性分析的基础。 第三，针对气泡在光棒区域的上升运动进行系统的研究。以2×1子通道半开放式子通道的观测结果，与5×5棒束开放式子通道的观测结果并结合文献中的单栅元全封闭通道内的气泡行为进行对比，研究不同开放程度对气泡行为的影响。通过对比发现，单栅元通道内的气泡行为总体与圆管内非常类似，仅在Cap形气泡和Taylor气泡下截面形态随栅元形状对应改变。而当气泡尺寸较大和液相流速较低时，气泡在上升运动中受2×1的半开放通道流道壁的影响十分明显，气泡反复发生破裂和融合，相邻通道间产生完全互补的两相分布。而气泡在5×5棒束通道内特别是其中心通道内则仅受棒壁面的限制，更能体现气泡在子通道内运动的真实规律。 第四，结合分布阻力理论和气泡受力分析，建立了开放子通道内气泡运动速度预测和气泡形态及行为划分准则的半经验模型。通过与单栅元通道和圆管内的相关模型进行比较，发现该模型能够更好的反映子通道的开放性及其特殊几何结构对气泡行为的影响。 第五，针对气泡经过格架后在下游的分布特性进行研究。根据分析结果，建立了格架对气相的强迫横流搅混因子的半经验关系式。结合开放通道内的流型变化，将其应用于子通道程序的改进中。通过CFD结果的验证后，该程序被进一步应用于不同尺寸的控制棒导向管棒束通道内的两相分布的分析，能够很好地预测导向管周围子通道面积变化引起的两相热工水力行为的差异，特别是格架下游的流型和换热模式的变化。 通过上述一系列研究，本文获得不同开放程度子通道内的气泡运动特性和两相分布规律，并建立起开放子通道内气泡运动形态的判断准则和速度预测模型。此外，格架对气泡运动的影响得到评估，并建立起两相强迫横流搅混系数模型。这些模型和准则用于子通道程序的改进中，改善了子通道程序对搅混格架下游两相分布与换热特性的预测能力。

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搅混格架 两相分布 气泡运动 子通道开放性

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CAP1400是我国在引进消化吸收美国三代核电技术基础上研发的自主化先进国产机型，具有自主知识产权和独立出口权。因此开展CAP系列核电机组非能动安全特性分析验证，对我国从核电大国向核电强国转变至关重要。 针对蒸汽泄露导致的安全壳超压，第三代核电技术普遍采用非能动安全壳冷却系统（PCCS）来保证其完整性。PCCS的主要功能是在假想设计基准事故情况下，保持内层安全壳温度低于限值，从而保证安全壳的完整性。其中蒸汽在安全壳内壁面持续冷凝是最关键的环节，蒸汽冷凝换热的强度决定着安全壳参数能否维持在安全阈值以内。另外，安全壳内蒸汽冷凝形成的液膜会沿壁面流下并被收回，而在穹顶水平倾角较小区域，冷凝液体会以液滴形式从壁面脱离，无法被回收，会影响循环水系统的储水量，从而改变事故工况下非能动余热排出系统冷阱的持续性。 对于安全壳内蒸汽冷凝换热和穹顶雨滴效应问题，本文提出了大空间蒸汽自然循环条件下安全壳切片多角度冷凝换热现象机理性研究策略，通过自主设计安全壳冷凝换热模拟试验件，搭建了安全壳穹顶雨滴效应试验回路。其中主回路包括：压力容器系统、空气回路系统、冷却回路系统及冷凝水收集测量系统；辅助回路包括：数据测量系统、控制与采集系统、输配电系统等。 以碳化锌涂层材料下的安全壳切片为试验件开展了安全壳蒸汽冷凝换热试验。试验参数覆盖核电厂典型事故工况下安全壳热工水力参数范围：压力从0.15MPa至0.6MPa，不凝性气体份额从1.1%至82.9%，壁面过冷度从12.6℃至49.3℃。试验发现：随水平倾角增大，试验件下表面将依次出现闭合滴状流动、滴状脊状过渡流动、完全脊状流动和均匀平板流动四种流型。不凝性气体对冷凝换热有着强烈的负面影响，相反，压力的提升会促进冷凝传热，而壁面过冷度的升高则会导致换热系数下降，热流密度提高，冷凝面倾斜角度对换热的影响不超过20%。 利用基于压差测量信号的冷凝液收集测量装置开展了安全壳穹顶雨滴效应试验。获得了较为宝贵的临界角度和滴落份额原始试验数据，补充了学术界尚缺乏的含不凝性气体蒸汽冷凝过程中液滴滴落现象及滴落临界角的研究。试验发现：在研究参数范围内，滴落临界角对不同参数所引起的物性改变不太敏感，其主要受冷凝量的影响。不凝性气体份额和壁面过冷度变化对临界角影响几乎为零，临界角随系统压力的升高而增大。 本文对蒸汽冷凝与穹顶雨滴效应试验进行了详细描述，系统性分析了各个物理参数的影响机理与耦合过程。最后基于Nusselt经典理论建立了用于预测安全壳蒸汽冷凝换热系数的半经验模型，提出了一种统一考虑各项强弱影响因子的思路方法。该模型考虑了各个参数之间的相互影响，能较好地预测安全壳典型事故工况参数范围内蒸汽冷凝换热情况。 本文研究以我国CAP系列压水堆为背景，研究结果对非能动安全壳冷却系统设计及事故工况下安全壳响应预测有一定指导意义，对CAP系列核电机组安全分析具有工程应用价值。

Keyword ：

安全壳 大型先进压水堆 穹顶雨滴效应 蒸汽冷凝

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在反应堆一回路高温、高压、高辐照的服役环境下，结构材料的腐蚀在所难免，腐蚀产物在一回路冷却剂中经过迁移和活化，最终沉积在一回路各处。而在阀门、管道变径接口等位置，沉积物更易集聚，从而形成沉积热点。沉积热点对反应堆的辐射和运行安全影响很大，一方面，由于沉积热点中包含大量活化腐蚀产物，沉积热点一般也是放射性热点，这给一回路的辐射防护最优化设计造成极大挑战；另一方面，沉积热点的形成可能会影响传热管的热力学性能、造成局部加速腐蚀和压头损失，引起流量波动。国外建立了大量的活化和沉积模型计算一回路内腐蚀产物的迁移、沉积和活化，国内目前多使用半经验模型来计算沉积物及活化源项。对于沉积热点研究，国外近几年开展了基于电动作用机理的沉积模型研究和实验研究，而国内尚无有效的沉积热点理论计算和预测模型。 本论文结合流体场模拟计算和电动作用沉积模型开发了沉积热点位置预测模型。首先，以前台阶几何约束为例，应用COMSOL软件中的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模块对不同流体约束下的几何模型进行流场分布计算，应用MATLAB开发了电动作用参数计算程序，得到了沿流体约束边界的流动电流分布和壁面电流分布，成功建立了沉积热点位置预测方法；将模拟结果与实验数据对比，验证了模型的可靠性；定量分析了几何结构、流体流速、电化学腐蚀电势（简称ECP）、pH值、冷却剂温度对电动作用沉积效应的影响规律； 基于沉积热点位置预测模型，计算了弯管、三通管和简化蒸汽发生器下封头三种流体约束下的电动作用参数，预测了沉积热点的位置；建立了基于电动作用电流转化为沉积物的沉积量估算模型，并与实验结果进行对比，讨论分析了沉积量估算模型的适用性和局限性。总体上，沉积量估算模型可以为后续的实验和机理研究提供支持和借鉴。

Keyword ：

CFD 沉积热点 电动作用 一回路

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液滴冲击固体壁面的现象广泛存在于动力、能源、化工、国防、农业等领域。液滴与固体壁面之间的碰撞力与液滴形态变化密切相关，同时也是导致固壁材料侵蚀等问题的关键因素。详细探索不同影响因素下液滴碰撞力的变化规律，对于进一步揭示液滴碰撞动力学内在机理、完善现有的液滴碰撞模型、加深对液滴侵蚀现象的理解具有重要意义。本文针对液滴与固体壁面的瞬态碰撞力，通过将实验研究与数值模拟相结合，系统研究了液滴运动参数、液滴物性以及壁面润湿特性等因素对碰撞力过程的影响规律。 首先，针对低速液滴与壁面碰撞过程中液滴尺寸小、碰撞力微小且持续时间短暂的特点，搭建了以高灵敏度压电传感器为核心的瞬时微小碰撞力测量和以高速摄影为核心的液滴形态可视化实验平台。通过对系统振动特性的理论分析和实验验证，揭示了系统振动对液滴碰撞力信号的影响规律。研究发现，碰撞盘以及基座因液滴碰撞引起的自振是影响碰撞力数据采集的主要因素；采用增大基座质量、减小碰撞盘质量、对所测信号进行低通滤波的方式可消除振动对信号的影响，进而获得液滴碰撞力。结果表明，该实验平台可实现对不同液滴运动参数、液滴物性、壁面润湿条件等因素下的液滴碰撞力的准确测量。 其次，为了揭示不同影响因素对壁面侵蚀现象的作用机理，通过控制变量法详细研究了液滴的运动参数以及壁面润湿特性对液滴碰撞力时域过程的影响规律。结果显示，液滴碰撞力最大值与碰撞速度的平方和液滴直径的平方成正比；液滴碰撞力的持续时间随碰撞速度的增大而减小，随液滴直径的增大而增大。由此可见，碰撞速度增大引起的材料侵蚀加重源于更大的壁面压力，而液滴尺寸增大引起的侵蚀恶化则源于更长的壁面压力作用时间。液滴与壁面倾斜碰撞时，液滴对壁面的作用力等同于该液滴以碰撞速度的法向分速度垂直撞击壁面的碰撞力数值。在本文所测接触角度范围内（66°至102°），接触角对液滴碰撞力没有影响。 再次，为了获得液滴碰撞力时域过程的一般性规律，在较大的液滴物性参数和运动参数范围内，对诸多因素下的液滴碰撞力特性进行深入分析。采用量纲分析方法，将液滴碰撞力及其多个影响参数组合成无量纲碰撞力、雷诺数、韦伯数及无量纲时间四个无量纲参数。研究发现，在本文实验所测韦伯数范围内（韦伯数大于57、小于858），韦伯数对无量纲碰撞力无影响。当雷诺数大于230时，无量纲碰撞力与雷诺数、韦伯数无关，只与无量纲时间有关；此时碰撞力时域曲线表现出相似特性，液滴无量纲碰撞力形成一条统一的曲线；该条件下的液滴碰撞力只与液体密度、碰撞速度和液滴直径有关，而与粘性力和表面张力无关，此类液滴碰撞称之为惯性碰撞。当雷诺数小于20时，无量纲碰撞力最大值随雷诺数的增大呈幂函数形式减小；在此雷诺数范围内，碰撞力没有相似特性，粘性力的影响明显，本文将此雷诺数区间的液滴碰撞称之为粘性碰撞。在雷诺数为20至230之间的液滴碰撞力出现过渡特征。 最后，以建立更高精度的液滴碰撞力时域过程的模型为目的，本文采用基于流体体积法和网格自适应技术的数值模拟方法，对液滴与壁面的碰撞过程进行探究。通过系统研究惯性碰撞条件下液滴形态以及液滴碰撞压力的内在机理，发现液滴形态和碰撞压力均具有相似特性。基于液滴形态最高点无量纲速度和壁面压力分布系数的变化规律，通过理论分析，建立了无量纲碰撞力半经验模型；该模型较前人模型，明显地提高了预测碰撞力随时间变化的精度。此外，采用数值方法研究液滴碰撞初始时刻的形状和不同碰撞速度下液体压缩性对壁面碰撞力的影响。结果显示，随液滴横纵比的增大，碰撞力最大值增大，而到达碰撞力最大值的时间减小。液相的可压缩性对碰撞压力的影响与碰撞速度有关：当碰撞速度小于30 m•s-1时，液相可压缩性的影响可忽视；而当碰撞速度大于30 m•s-1时，对液滴碰撞压力的计算需要考虑液相可压缩性的影响。

Keyword ：

高速摄影 碰撞力 数值模拟 压电传感器 液滴

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作为能源大国，我国具有包括工业废热、地热、太阳能及生物质能等大量低温余热资源，然而我国的能源回收量却远低于发达国家水平。而另一方面，在化工、制冷、食品加工、医药的工业领域，大量的供热及工艺需求需要饱和水蒸气为媒介或工质，而针对污染性强、能源利用率低的传统锅炉的替代，受到广泛的研究关注。其中，高温热泵水蒸气产生系统，不仅具有较高的效率，且有利于工业余热回收，并保证了环保性，成为极具潜力的水蒸气供给方式。螺杆压缩机具有承压能力强、稳定性可靠性高、零部件少等一系列优点，对高温热泵系统有较强的适应性。本文对水蒸气产生系统的运行特性与余热回收性能进行了深入的理论与试验研究，并针对关键部件高压螺杆压缩机的容积效率、指示功率及排气过热度等进行了深入的研究。 螺杆压缩机的模拟方法中，微观模拟的方法难度大耗时长，而经验模型的适用范围与应用性较差。本文提出了一种新型的半经验模型处理方法，通过对部分试验数据的拟合，分析压缩机运行状况，最终完成对压缩机性能的预测。而另一方面，高压螺杆压缩机由于其运行的特殊性，需要从泄漏、换热、损失等角度进行特性优化。在本文的模型中，在泄漏方面，重点考虑了内泄漏对压缩功的影响，加入了对齿间容积外泄漏导致容积流量损失的计算；在压缩损失方面，考虑了损失引起热力性能逐步改变的影响；而在换热方面，则采用油气换热取代传统机体换热计算。最终，通过建立模型及迭代方法与判定准则，对压缩机工作过程及运行性能进行了模拟。 通过搭建高压螺杆压缩机试验台，不仅得到了压缩机宏观运行性能，如容积效率、绝热效率与排气过热度，还得到了其热力学运行特性，包括欠/过压缩状态、排气瞬间工作腔压力变化、排气脉动等。对比模拟结果与试验数据可以看出，对容积效率、绝热效率与排气温度的预测误差均在±5%以内，证明了模型的准确性。在系统供热温度自65升至85℃范围内，容积效率自0.86降至0.81，绝热效率变化范围约为0.61-0.71，而排气温度则从75℃升高至86℃左右。而通过分析p-V指示图数据可以看出，在容量减小过程中，欠压缩更加显著；齿间容积内的工质压力随着容积减小，先慢速升高，后快速下降；而随着容量的降低，这一现象变得越发明显，理论上损失的能量也越多。而当内容积比增大的过程中，欠压缩逐步减弱，而在过压缩时，此时排气过程中的压力波动由三个波形变为一个波型，但波动幅值更大。随着容量的减小，排气波动逐渐减小，在欠压缩工况下，内容积比降低，排气腔内气体压力波动幅值增大，自50kPa升至70kPa；而在过压缩工况下，压力脉动范围几乎没有变化。 应用上述高压螺杆压缩机，本文建立了一套耦合水蒸气产生系统，并通过模型建立，对压缩机、换热器、阀组、管路等部件进行综合模拟。在此基础上，搭建了一套系统试验台进行系统性能测试。对比试验与理论模拟结果，在测试范围内，COP计算结果误差在±5%以内。在耦合热泵系统中，COP随供热温度的上升自6.8逐步降低至4.2，但下降速度逐渐变缓，制热量则自252kW降至246kW；排气过热度随供热温度趋于上升，自7.71℃至12.52℃变化，但有部分波动，而其随压缩机负荷近乎线性的升高。而在蒸汽热泵中，当蒸汽供气温度更高时，制热量显著下降，从450kW变化至200kW，而水蒸气产生系统的经济型随着蒸发的上升有明显提升，单位蒸汽成本变化范围为45-190元/t，但蒸汽产量与蒸汽成本呈反相关关系，随供气需求发生较大变化。 基于上述结果，本文提出从压缩机与系统设计两方面进行优化。从压缩机角度，可采用抽气式螺杆压缩机设计，进行多温区供热优化。计算结果表明，当抽气比率自10%至40%变化过程中，相较于传统系统的COP优势自0.2增加至1；而随着蒸发温度的上升和冷凝温度的下降，在计算范围内COP差值自0.2增加至0.7。此外压缩机孔口位置设计、内容积比改动同样对COP有明显影响。而从热泵系统角度，可采用水蒸气压缩机进行供热压力的提升，对比两级压缩系统和复叠热泵系统，在大多数工况下，两级压缩系统比复叠系统具有更高的COP，其差值有0.3至1.1之间变化，但随着供热温差的增大，前者的优势逐渐变小。综合考虑水蒸气压缩机相对R245fa压缩机的性能劣势，应在高压差系统中或工况较为恶劣时选择复叠系统。

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半经验模型 高温热泵 螺杆压缩机 余热回收 蒸汽产生系统

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