1、窄矩形通道内的CHF机理模型研究

核电工程技术研究中，临界热流密度（CHF）是影响核电厂经济与安全运行的关键参数，因此了解窄矩形通道的CHF特性及探明CHF的发生机理，在进行反应堆安全分析和设计时尤其重要。为了深入研究窄矩形通道内临界热流密度发生机理及热工参数对CHF的影响，重庆大学科研团队通过千眼狼高速摄像机搭建可视化实验平台，进行窄矩形通道中的CHF实验，观测通道内汽泡运动过程和沸腾传热现象，进一步研究窄矩形通道内的CHF发生机理。

2、CHF实验方法

此次实验中设计并搭建了如图1所示的可视化实验平台。该平台主要由一次侧实验回路系统和二次侧回路系统组成，其中系统通过高速摄像机观察汽泡运动和沸腾过程，记录汽泡生长周期。

图1 实验回路示意图(a)实验回路，(b)实验主体

3、新建CHF机理模型

汽泡行为不仅受流动通道和加热壁面条件的限制，系统压力、气液流速、壁面温度和流体温度等都会对其产生影响。图2显示完整的汽泡周期信息，在汽泡生长周期中根据核化点是否有汽泡存在分为两个阶段：核化点处汽泡生长的生长阶段和孕育汽泡的等待阶段。当汽泡从加热壁面脱离后，核化点需要为下一个汽泡的产生做准备，直到下一个核化点汽泡产生后重复如上的汽泡周期。

图2  汽泡周期示意图

通过可视化实验平台，科研团队发现在窄矩形通道中有两类汽泡，即浮升型汽泡和滑移型汽泡，在核态沸腾以及发生CHF时，两类汽泡也表现出不同的运动特性，因此实验建立了一个基于窄矩形通道中汽泡动力学特性的CHF机理模型。

式中：q为对流换热热流密度；χ为滑移型汽泡的比例：

4、热流密度的计算

4.1.浮升型汽泡热流密度

浮升型汽泡在核化点产生，汽泡寿期仅有几毫秒，滑移距离仅为几毫米，即汽泡寿期的运动距离较小但是直径变化速率大。汽泡整个生长周期可分为生长阶段和冷凝阶段。在生长阶段时，汽泡直径逐渐增大，在达到最大值后由于在过冷液体中的冷凝 而迅速塌陷。汽泡从加热壁面获得能量不仅要维持自身生长，而且要有一部分能量抵消汽泡顶部的冷凝换热，可以看出冷凝换热是通过汽泡作为媒介，是一种向冷流体输送能量的方式。本次实验主要关注加热壁面上的热流密度，因此浮升型汽泡的热流密度仅包括蒸发热流密度，其关系式为：

当热流密度较小时，浮升型汽泡独立生长，生长行为不受相邻汽泡的影响；当热流密度较大时，加热壁面过热度高，活化成核点更多，导致单个汽泡成核位置占据面积变小。如果单个成核点所占的面积（1/N）小于汽泡最大面积（A），则需考虑汽泡间的相互影响。用如下定义的因子来考虑热流密度较高时上述效应的影响：

当1/N>A时，加热壁上成核位置间距离大，浮升型汽泡行为彼此独立，不会受到其他汽泡的干扰。

4.2.滑移型汽泡热流密度

滑移型汽泡比浮升型汽泡具有更长的汽泡寿命周期、更长的滑移距离以及更小的直径变化速率；同时滑移型汽泡始终与加热壁面接触，即汽泡一直处于生长阶段，直径始终在缓慢增加。对于浮升型汽泡来说，不仅包括汽泡生长的蒸发热流密度，还包括汽泡从原位置脱离周围流体补充的瞬态导热热流密度，即：

其中k是指汽泡沿加热壁滑动时的汽泡影响面积因子；l为汽泡滑动距离。对于小于t的时间，瞬态导热占主导地位，这时的瞬态导热可表示为：

滑移型汽泡数量会随着热工参数的变化，当热流密度逐渐增加，汽泡数目增加，单个汽泡在加热壁上的投影面积减小，汽泡之间的距离减小。汽泡离开原来的位置并滑动一段距离l，可能会与滑动路径中遇到的其他汽泡聚合。可采用滑移汽泡衰减因子来描述这一现象：

当D<l时，汽泡会从一个成核点滑移到下一成核点；当D>l时，汽泡滑移将会受到影响。

图3 瞬态传热占主导时间段

在汽泡等待时间内，热边界层逐渐变厚，直至完全形成。根据热传导理论，瞬态导热系数随时间的增加而减小，但对流换热系数与时间无关。因此，存在某一时刻使瞬态导热系数等于对流系数，图3可以说明这两个换热系数之间的关系。单相对流传热的区域包括两部分：第一部分始终处于单相的对流传热，即在总加热区域中除汽泡影响区外的区域；第二部分位于汽泡影响区域，即由于瞬态导热随时间的衰减，单相对流传热占主导地位的区域。

图4 CHF随质量流速的变化趋势

为进一步验证所提模型的合理性，图4研究了质量流速对CHF的影响，结果发现CHF随质量流速增加而增加，预测结果与实验结果一致。

6、总结

实验提出了一种适用于窄矩形通道的CHF机理模型，该模型通过高速摄像机可视化观察的实验现象和物理机制出发，解释了沸腾危机发生的机理。