矩形窄缝通道内滑移汽泡动力学演化及相界面传递特性研究

现有板型燃料元件矩形窄缝通道内热工水力基础问题研究多从宏观角度进行探索，疏于关注相变中界面形态微观特征和热质传递过程。本项目从微观角度出发，以滑移汽泡动力特性为切入点，采用立体可视化实验技术，针对矩形窄缝通道内近壁滑移汽泡动力学及相界面传递特性两个基础问题开展研究，获得滑移汽泡三维界面形态、滑移速度、滑移汽泡生长速率等实验数据，揭示不同流道间隙下近壁汽泡滑移和浮升规律。推演近壁汽泡滑移和浮升的受力模型。建立近壁汽泡滑移、浮升时相界面质量传递和能量传递过程的数理模型和界面模拟方法，获得近壁汽泡滑移和浮升时其周围流场、温度场演化规律，揭示窄缝通道内近壁滑移汽泡运动行为及相变传递中的微观机理。本研究所获得的滑移汽泡相关基础实验数据、动力学演化规律和相界面传递特性是核态沸腾研究的基础核心问题，对于深化窄缝通道内沸腾传热机理的研究具有重要学术意义。

窄缝结构在高新技术领域中得到广泛的应用，促使窄缝通道内流动和传热规律研究向更加深入和细致的方向发展。本项目从微观角度出发，以近壁滑移汽泡动力特性为切入点，从一个新的视角和方向深入探析了矩形窄缝流道内的沸腾传热机理。. 本课题研制了矩形窄缝通道内立体可视化实验装置，实现了矩形窄缝流道内近壁汽泡生长、脱离、滑移以及界面现象等精细化测量，获得了近壁滑移汽泡动力学演化图像，以及汽泡生长速率、汽泡直径、运动速度等实验数据。汽泡可视化实验表明，竖直向上流动沸腾时，在低热流密度孤立汽泡区域，存在典型滑移汽泡现象。加热面倾斜朝上45°向上流动沸腾时，汽泡沿加热面滑移一定的距离后，开始浮升。加热面倾斜朝下45°向上流动沸腾时，汽泡沿加热面滑移，未观察到汽泡浮升现象。在汽泡界面形态方面，滑移汽泡呈近似的球状，其前后接触角基本相等。通过分析不同条件下滑移汽泡速度、滑移汽泡聚合前后的基本物理过程、以及滑移汽泡的浮升现象，获得了两汽泡开始相互作用的距离，初步揭示了滑移汽泡的聚合特性及其作用机制，以及滑移汽泡浮升后的演化规律。. 基于汽泡可视化试验，建立了近壁汽泡脱离、滑移时受力模型，提出了近壁汽泡脱离、滑移和浮升判断条件。确定了汽泡脱离时汽泡界面输入参数，获得了汽泡脱离直径预测值，并利用实验数据对汽泡受力模型进行了验证和评价分析。提出了近壁滑移汽泡受力模型的求解方法，通过引入修正因子方式修正了附加质量力，修正后的近壁滑移汽泡受力模型的预测值与试验值符合较好，总结近壁滑移汽泡在x方向和y方向上的运动机理，进一步从理论上解释了可视化试验所观察的近壁汽泡滑移及浮升运动现象。. 基于汽泡可视化试验和滑移汽泡运动机理研究，建立了汽泡界面质能输运和微液层蒸发的汽泡生长模型，编制了UDF程序模块，嵌入CFD程序，较为准确地描述了矩形窄缝通道内汽泡动力学界面和相变传递特性。. 综上，本项目全面完成了计划任务书规定的研究内容，达到预期研究目标。本项目研究成果获得国防科技进步三等奖1项；授权国防专利2项，受理发明专利2项；共计发表期刊和会议论文16篇，其中，SCI和EI收录论文10篇，培养博士生1名。（说明：因国防专利和核动力会议文章涉密，未在附件中提供扫描件）