偏滤器临界热流密度触发机理与协同强化传热技术研究

High-efficiency cooling is an urgent and essential issue for the fusion reactor divertor. The experimental investigations, numerical simulations and theoretical analyses will be carried out in this research, respectively. This project will investigate the dynamic behaviors of flow field and the evolution characteristics of phase interface to explore the microscopic interaction and trigger mechanism of the critical heat flux (CHF). Moreover, the effects of the twisted tape and internal rib on the CHF and heat transfer enhancement characteristics will be studied in details to get insights into the relationships between the CHF and the parameters of subcooled flow boiling. In addition, the coupling mechanisms between the twisted tape and internal rib will be investigated to show the synergy features between the heat transfer enhancement and channel structure optimization. Finally, based on the relationships between parameters and the microscopic triggering mechanism, the correlations for predicting the initial location of heat transfer deterioration and CHF in subcooled water flow boiling under the conditions of non-uniform high temperature and high heat flux will be built up. The outcome of this project will be beneficial for improving the thermal hydraulics design of the reactor divertor.

本项目以聚变堆偏滤器高效冷却需求为应用背景，针对非对称、高温高热负荷条件，采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，对临界热流状态时流场的动态变化和相界面的演变特征展开深入研究，获得临界热流发生时的微观作用机制，揭示临界热流密度触发机理；在此基础上研究扭带与内肋复合结构对管内临界热流密度的影响规律，找出过冷流动沸腾换热特性以及临界热流密度与各物理参数间的内在关系，寻求内肋与扭带的耦合规律，揭示强化结构间的协同传热机制，优化换热结构；结合临界热流的微观触发机制以及各参数间的本构关系，构建适用于非对称高温高热负荷条件下的传热恶化起始位置的预测模型，进而建立过冷沸腾临界热流密度的预测模型。该研究为聚变堆偏滤器的热工水力学设计提供理论依据与技术支持。

聚变堆偏滤器承受极高热负荷，当所受热载超过临界热流密度(CHF)时，会导致偏滤器损坏，极大威胁着聚变装置的可靠性和运行寿命。因此，研究临界热流密度和协同强化传热特性对偏滤器冷却系统设计、安全运行具有重要意义。.本项目通过实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，对单侧、高热载条件下复合换热管、螺纹内肋管、内插扭带管和光滑管的传热流动特性和临界热流密度开展了深入研究。主要研究内容和重要结果如下：1）实验以去离子水为介质，在单面受热载条件下，分析了沸腾曲线、核态沸腾起始点和偏离泡核沸腾点，研究了扭带扰动比、内螺纹螺距、质量流速和压力对管内流动对流换热系数和临界热流密度的影响规律。结果表明：与其他三种管道相比，复合换热管的对流换热系数和临界热流密度最大，CHF值最高可增大130.71%，且具有较高的综合性能评价指标；复合换热管能对边界层和主流流场区域起到协同强化传热的作用；CHF和对流换热系数均与螺距、质量流速成正比，与扰动比成反比；2）采用FLUENT软件的欧拉多相流模型结合临界热流密度模型，对竖直向上单边加热光管和内插扭带管的临界热流密度、压降特性、传热工况、汽液两相特征和空泡份额分布等进行了模拟研究。分析结果如下：与光管内流场相比较，内插扭带管能有效推迟偏离泡核沸腾的发生，延迟传热恶化；单边加热条件下，热载和壁面温度沿冷却管周向分布不均匀；在冷却管横截面上有两种冷却模式：欠热泡核沸腾区和液体单相对流传热区。在靠近热载面区域，欠热泡核沸腾起主要作用。远离热载面区域，液体单相对流传热为主要冷却模式；得到了过冷流动沸腾的临界热流密度、温度分布、空泡份额分布及压降分布规律；3）建立了高压高热载条件下光管的临界热流密度实验数据库，开发了新的高精度的CHF预测关联式，新关联式的平均绝对误差为10.05％，均方根误差为16.61％；收集、评价、分析了5个内插扭带管过冷流动沸腾CHF预测模型，建立了适用于复合换热管的过冷流动沸腾CHF预测关联式，其平均绝对误差为8.94%，均方根误差为10.83%，可以较好预测实验结果。.基于本项目，在本领域共发表SCI论文4篇（II区3篇），EI论文1篇，CSCD论文3篇。搭建了强化传热实验平台1套，申请了国家发明专利3件，培养了4名硕士研究生。上述工作已达到本项目预定的研究目标，将为后续进一步开展偏滤器强化换热及结构设计研究提供重要基础。