基于流道几何参数修正的临界热流模化理论及实验验证

Critical heat flux (CHF) is a very complicated phenomenon in boiling heat transfer, which is affected by kinds of system and geometric parameters. In order to investigate the influence of flow channel structure on CHF, and to master the CHF data scaling and inference rules, this project put forward the scaling laws correction method for CHF and its experimental verification considering the effect of geometric parameters. Based on the similarity principle and dimensional analysis, the theoretical correction of CHF fluid-to-fluid modeling is derived by introducing the channel characterization criterion of geometric parameters; CHF experiments are carried out in different channels, including straight, U shape and coiled tubes with different types of sections, using R134a, R152a, R290, R245fa, R600a, R601a and water. Correction factors are calculated and verificated according to experimental data and existing CHF database. The correction theory and method of fluid to fluid modeling considering the geometric influence will be developed, which can provide mutual conversion rules between CHF data of different channels, and also provide the basis for CHF prediction, assessment and control.

临界热流（Critical Heat Flux, CHF）是沸腾传热中极为复杂的现象，不仅受多种系统工况参数的影响而且与流道几何参数密切相关。为探索不同结构流道中CHF传热的相关性，实现CHF数据间的相似比拟与转换，本项目提出考虑流道几何参数影响的CHF模化理论并予以实验验证。以相似原理与量纲分析为基础，通过引入表征流道几何参数对CHF影响的特征尺寸，开展CHF流体模化修正方法理论研究；采用R134a、R152a、R290、R245fa、R600a、R601a和水等多种工质，开展不同工质在相同流道、相同工质在不同流道（以具有不同截面的平直、U形、螺旋流道为例）中的CHF实验研究；结合实验数据并搜集已有CHF数据库对模化修正因子进行求解和验证；发展基于流道几何参数修正的CHF流体模化理论与方法，以期获得不同流道间CHF数据的推演规律和转换方法，为CHF预测、评估和控制提供依据。

沸腾传热中的临界热流（CHF）现象直接关系换热设备的安全、经济运行，长期以来，众多学者针对CHF的发生机理及其受系统工况参数的影响进行了不懈探索，积累了数十个实验关联式，而针对流道几何参数影响CHF的研究开展较少，还没有完全认清几何结构参数对CHF的影响规律。本项目的开展即是在有限但是典型的不同横截面形状（圆形、矩形和环形）的弯管（包括平直、U形和螺旋）参数范围内，考察不同流道共性结构参数对CHF的影响规律，提出考虑流道几何参数影响的CHF模化理论并进行了实验验证。. 本项目的主要研究内容及重要结果包括：.（1）对不同结构流道参数进行了分析，确定了以等效水力直径统一描述不同截面形状的修正原则及其有效性，提出了平直、U型、螺旋结构参数之间等效比拟（或称为近似）的原则。.（2）基于相似原理与量纲分析理论，考虑上述各种流道参数的比拟原则，引入表征不同流道参数影响CHF的特征尺寸Xn，推导了含有Xn的广义准则数及反映结构参数影响CHF的修正关系式。.（3）采用R134a、R152a、R22、R245fa、R11和水等工质，开展了不同工质在相同流道、相同工质在不同流道中的CHF传热实验研究，改造了多管并联实验段并加入相变储热稳定换热器，发展了新的CHF判断方法，使得实验系统更加稳定、CHF数据更加准确，共获得37组实验合计1436个有效CHF数据点。.（4）依据流体相似和比拟原则，结合实验数据并搜集已有CHF数据库对模化修正因子进行了求解，发展了基于流道几何参数修正的CHF流体模化理论与方法。. 项目结果进一步扩展了CHF流体模化预测方法的适用性，在研究范围内建立了不同流道间CHF数据的推演规律和转换方法，特别是适用于换热设备常用的直-弯管（包括不同横截面）范围，对于高热流密度换热器的设计与优化具有理论指导意义和实际参考价值。