朝下多尺度结构表面的临界沸腾换热研究

The External Reactor Vessel Cooling (ERVC) is a key severe accident management strategy which has been adopted for many advanced light water reactors. ERVC adopted the porous coating surface to enhance the boiling heat transfer and critical heat flux (CHF), the key problem is that the safety margin of coating surface is not obvious, and the reliability of the coating is still in doubt. The present project will start from the concept of separation of cooling liquid wetting path and the bubble departure path could enhance the boiling heat transfer, and investigate the critical boiling performance and mechanism of downward facing multi-scale structured surface, and experimental study the effect of orientation, structure parameter of millimeter scale structure and micro/nano scale structure，the synergistic effect of both scale structure on the critical heat flux, thus obtain a new-type multi-scale structured surface with high CHF and high reliability. The relationship of the bubble departure frequency, bubble structure and characteristic length with orientation and heat flux will be analyzed. The mathematical model of CHF for the downward facing multi-scale structured surface will be developed. Results obtained from this study will contributed to the understanding of the critical boiling heat transfer mechanism of the downward facing multi-scale structured surface, and have broad application prospects in the field of boiling heat transfer enhancement.

压力容器外部冷却技术已成为压水堆核电站严重事故管理的关键策略之一。目前压力容器外部冷却技术存在的主要问题是其采用多孔涂层来提高朝下表面沸腾换热的临界热流密度（CHF），但其安全裕度不够明显，且多孔涂层的可靠性仍存疑。本项目从冷却液体润湿路径和气泡脱离路径相分离可增强沸腾换热的思路出发，开展耦合毫米尺度结构和微纳尺度结构的朝下多尺度结构表面的临界沸腾换热研究，实验研究倾角、毫米尺度结构和微纳尺度结构的结构参数以及两者间的协同效应等因素对朝下表面CHF的影响，获得新型高CHF和高可靠性的多尺度结构表面。理论分析气泡脱离频率、气泡形态结构和气泡特征长度随倾角和热流密度的变化规律。基于转折角效应，揭示朝下多尺度结构表面临界沸腾换热机理，建立基于多尺度结构协同效应的CHF模型。研究成果对深入理解朝下多尺度结构表面的临界沸腾换热机理具有重要的理论价值，在强化沸腾换热技术领域具有广阔的应用前景。

压力容器外部冷却技术已成为压水堆核电站严重事故管理的关键策略之一。压力容器朝下半球外表面的临界沸腾换热强化技术主要研究采用烧结和冷喷涂金属颗粒生成的均匀多孔涂层表面，其CHF最高达到2.0 MW/m2，安全裕度不够明显。由于多尺度结构表面相比均匀多孔涂层表面能够显著提高CHF，本项目研究毫米尺度和微/纳米尺度耦合的朝下多尺度结构表面的临界沸腾换热性能。本项目从冷却液体润湿路径和气泡脱离路径相分离可增强沸腾换热的思路出发，开展朝下多尺度结构表面的临界沸腾换热实验研究。具体研究内容和结论如下：（1）设计开发了一种冷喷涂加工多尺度结构表面技术，通过调整组份比例、颗粒直径等，可制备不同材料、孔隙率、形状各异的多尺度结构表面；（2）成功制备了基于铜基体的针翅状和沟槽状多尺度结构表面；采用接触角测量仪、环境扫描电镜等表征了多尺度结构表面的微观形貌和接触角等参数；采用可旋转朝下平板表面沸腾换热实验系统测试表明：相比于铜光表面，针翅状和沟槽状多尺度结构表面的CHF分别可提高87-114%和44-99%；其CHF最高达到2.6 MW/m2；（3）采用冷喷涂技术制备了基于压力容器SA508钢的多孔介质铝涂层表面、钛涂层表面和SA508涂层表面，获得了涂层表面的沸腾换热性能，相比于SA508钢光表面，多孔介质涂层的CHF提升有限，其中孔隙率对多孔介质涂层强化沸腾换热有着重要的影响；（4）开发了自动识别汽液两相流界面程序，获得汽液界面变化、汽膜厚度、汽膜脱离周期和汽膜法向速度等特征。通过对朝下表面汽泡动力学的分析，加深了朝下表面沸腾换热机理的认识。研究结果表明：朝下多尺度结构表面具备优异的沸腾换热性能，临界热流密度强化幅度优于仅具有单一类型尺度的多孔介质涂层表面。研究成果对深入理解朝下多尺度结构表面的临界沸腾换热机理具有重要的理论价值，在强化沸腾换热技术领域具有广阔的应用前景。