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过冷沸腾相界面演变过程非均匀特性研究

摘要

先进压水堆设计时允许堆芯出口存在一定的过冷沸腾，在提高系统自然循环性能

的基础上可降低冷却剂主泵的功率，达到增加系统安全裕度并降低系统振动噪声的目

的，而汽液相界面演变过程对过冷沸腾特性具有重要影响。因此，为了核动力装置和

反应堆的安全运行，需要针对过冷沸腾汽泡相界面演变过程中的非均匀特性进行研究。

其中非均匀特性包括耦合壁面效应、随机特性和非定常条件三部分，研究基于不同表

面结构来影响其耦合壁面效应，随机特性由相界面演变过程中汽泡的瞬态特性和非均

匀生长体现，同时热工参数的变化影响了系统的非定常条件。

实验分别搭建了池沸腾和流动沸腾实验平台，实验系统压力保持在常压状态，实

验液体工质均采用去离子水，实验过程中通过温度控制系统使工质始终保持在所需的

过冷度条件，池沸腾过冷度范围为0℃~30℃，流动沸腾过冷度维持在10℃~40℃，实验

功率通过直流电源输入，热量传递到加热壁面并产生汽泡，产生的汽泡形态通过高速

摄像机拍摄捕捉，后续使用图像处理软件对不同工况下的汽泡图像进行处理，进而得

到研究所需的汽泡参数。本研究考虑了近壁面温场和流场的瞬态特性，通过力平衡分

析及传热模型的建立，提出了适用于实验的相关理论模型，深入分析了过冷度、热流

密度、壁面结构和主流速度等因素引入的非均匀特性对汽泡行为的影响，定量分析了

这些因素对汽泡参数的变化影响，同时概括性介绍了沸腾中出现的汽泡类型及特征，

并对比分析了汽泡动力学的差异。

研究表明，在低过冷度情况下，系统处于相同热流密度工况时汽泡会更容易发生

聚合现象。热流密度增加使得汽泡传热过程加剧，导致汽泡直径增加，在相关作用力

的作用下会加速汽泡的脱离，宏观上体现出汽泡脱离频率的变化。耦合壁面效应的改

变由改性表面存在的微纳米级空隙体现，由于其存在增加了热量传递的通道，同时限

制汽泡生长向大尺寸过渡，因此影响了汽泡直径和汽泡演变的时间。汽泡底部微液层

和过热液体层会提供汽泡生长所需要的热量，而汽泡顶部与主流之间发生冷凝作用会

抑制汽泡生长，所以系统流速的变化会使加热壁面与主流之间换热过程相应的受到影

响，近壁面过热液体层厚度随之改变，从而导致汽泡与流体冷凝作用和冷凝速率变化。

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关键词：过冷沸腾；可视化实验；液体过冷度；汽泡行为；非均匀特性

本研究得到国家重点研发计划（编号：2019YFB1900702）的资助

过冷沸腾相界面演变过程非均匀特性研究

Abstract

Theadvancedpressurizedwaterreactordesignallowsforacertaindegreeofsubcooling

boilingattheoutletofthecore.Thiscanreducethepowerofthecoolantmainpumpand

increasethesafetymarginofthesystem,whileimprovingthenaturalcirculationperformance

ofthesystemandreducingvibrationnoise.Theprocessofvapor-liquidinterfaceevolutionhas

animportantinfluenceonthecharacteristicsofsubcoolingboiling,whichisessentialforthe

safeoperationofnuclearpowerplantsandreactors.Therefore,itisnecessarytostudythenon-

uniformpropertiesofvapor-liquidinterfaceevolutionduringsubcoolingboiling,including

coupledwalleffects,randomproperties,andnon