自然循环槽式太阳集热管内气液分层对逆流不稳定性特征的影响机理及调控研究

It is significant to meet the needs of sustainable energy development strategy of China by studying and developing novel natural circulation parabolic trough solar collector system. Meanwhile, the gas-liquid flow stratification phenomenon and flow instability in the receivers is a key factor affecting the thermal performance and safety of the systems. When it comes to the gas-liquid stratified condition, however, the classical homogenous flow model becomes inadequate in interpreting the flow instability phenomena. In this project, we propose to study the mechanisms of the effect of gas-liquid stratification on backflow instability in natural circulation systems. A visualized natural circulation flow boiling experimental setup with a horizontally-arranged receiver,which orients to PTC system, will be built. A gas-liquid stratification-based dimensionless correlation for backflow instability will be established based on the results of flow boiling experiments.. Furthermore, micro-/nano-structured coating will be applied to the boiling surface of the receiver. Effects of wettability of the micro-/nano-structure coating and modified position on the characteristics of gas-liquid stratification and backflow instability would be investigated systematically. Another objective of this project is to regulate the backflow instability actively by improving local flow boiling characteristics to modifying the gas-liquid stratification phenomenon. . This project reflects interdisciplinary research of the emerging materials science and traditional engineering thermophysics. This work will be a supplement to the existing knowledge on natural circulation flow boiling with positive academic and engineering significance.

研究和发展新型自然循环槽式太阳能集热系统对于满足我国可持续能源发展战略需求具有重要意义。其中，集热管内的气液分层现象和流动不稳定现象是影响系统性能和安全的关键因素。由于经典均相假设理论在阐释气液分层条件下流动不稳定性存在不足，本项目拟搭建面向槽式太阳能特点的集热管水平布置自然循环流动沸腾可视化实验台，通过流动沸腾实验建立基于气液分层特征的逆流不稳定性无量纲关系，对气液分层对自然循环逆流不稳定性的影响机理展开研究。而且，本项目拟利用微/纳改性涂层对沸腾表面进行选择性修饰，研究微/纳改性表面浸润性和修饰位置对自然循环流动沸腾过程中气液分层和逆流不稳定性特征的影响规律。探索通过靶向改善局部流动沸腾特征调节管内气液分层特征实现对逆流不稳定性特征进行主动调控。本项目研究内容体现了新兴纳米材料学科与传统工程热物理学科的交叉，是对现有自然循环流动沸腾研究工作的有益补充和拓展，具有积极的学术和工程意义。

研究和发展新型自然循环槽式太阳能集热系统，提升我国太阳能装备的自主化水平，对于支撑我国可持续能源发展战略具有重要意义。本项目围绕新型自然循环槽式集热系统中低热流低流量条件下的气液分层流动沸腾逆流不稳定性现象展开研究，以阐明自然循环气液分层流动沸腾不稳定性流动特征规律以及改善气液分层流动不稳定性特征和传热特性为目标。.本项目首先通过建立可视化自然循环流动沸腾实验系统，通过可视化实验获得了自然循环系统中水平布置蒸发段内气液分层流动沸腾过程发展的六个主要阶段特征，并基于流型和不稳定性特征，提出了基于流型结构和流动特征的气液分层流动沸腾传热关联式。.其次，系统地研究和掌握加热功率、管径特征等参数对气液分层流动沸腾不稳定性流动传热特征的影响规律。结果表明，随着加热功率的升高，加速了气液分层流向雾状流的发展进程，管内换热呈恶化趋势；在逆流不稳定性的作用下，各截面气液分层流型特征因管内流型特征的变化而变化。同时，压降波动特征下的密度波动特征由无规律特征逐渐向与压降波动协调的特征发展。管径比的增大导致集热管入口的逆流特征增强，最终导致集热管的等温性尤其是下降管段的等温性增强，在本项目研究范围内，最佳管径比为1.4..第三，通过制备不同浸润性的微/纳结构表面，分别对浸润性特征、修饰位置对气液分层流动沸腾不稳定性特征的影响规律进行研究。结果表明，浸润性改变可以有效改变气液分层流动沸腾过程中的流动换热特征，进而提高换热系数。修饰区域的长度决定了优化效果的好坏，而局部修饰区域所处流动沸腾不同阶段也对管内换热会产生影响。.在此基础上，开展以调控轴向和周向温差为目标开展自然循环气液分层流动沸腾不稳定性流动传热的主动调控研究。结果表明，采用蒸发段半管修饰对蒸发段周向均温性改善明显，传热特性明显改善；采用复合表面修饰，轴向均温性改善明显，蒸发段传热系数也有明显改善。.最后，本项目基于上述成果，开展了一定的拓展性的系统研发工作，获得了多种新型太阳能装置和系统。