文青龙-倾斜限制空间内池式沸腾临界热流密度试验研究

（1. 上海交通大学核科学与工程学院，上海，200240；2. 中科华核电技术研究院，广东深圳，518026）
摘要：在大气压下近饱和去离子水中，表面倾角（θ）从 0°变化到 30°、窄缝尺寸（e）从 3 mm 变化到 8 mm，开展限制空间内池式沸腾临界热流密度（CHF）试验。研究表明：CHF 值（qCHF）随 θ 的降低而减小； 随 e 的增加而增大。qCHF 变化存在明显的过渡角，当表面倾角大于过渡角时，CHF 随窄缝尺寸的变化速率趋 缓；当表面倾角小于过渡角时，CHF 随窄缝尺寸的变化速率加快。研究还发现过渡角随窄缝尺寸的增加而增 大，3、5 和 8 mm 窄缝的过渡角分别为 10°、15°和 20°。
图 4 为本试验中的 CHF 试验数据（qCHF）与 Katto[2]及 Monde[3]的垂直矩形结构下 qCHF 随 e 的
图 4 文献关联式对试验数据的评价 Fig. 4 Assessment of Literature Correlation
for Experimental Results
增加趋势对比图。研究发现，Katto 采用同心圆盘 开展试验获取的全部 qCHF 与本试验中的数据在变 化趋势上具有一定的可比性，但根据这些 CHF 数 据拟合的 Katto 关联式总体上都明显地高于本试 验的 qCHF。从图 4 可看出，Monde 关联式能较为 合理地预测本试验中 qCHF 的变化趋势。从量值上 讲，Monde 关联式低估超过 15°时的 qCHF，但与 θ=10°时大部分窄缝下的 qCHF 吻合得较好。 3.1.2 表面倾角的影响 图 5 为不同窄缝尺寸下 qCHF 和θ的关系图。考虑到没有开展大空间池式 沸腾 CHF 的试验研究，图 5 中引用了在大气压近 饱和工况（压力约为 0.1 MPa）下 Kim[4]开展的大 空间池式沸腾 qCHF 随θ变化的试验数据。将大空 间池式沸腾与限制空间池式沸腾 e 为 3、5、8 mm 的试验数据进行对比可知，qCHF 总体上随θ的降 低而减小，这也验证了文献的研究结论。对比发 现，随着θ的降低，限制空间内池式沸腾工况下 的 qCHF 变化幅度明显比大空间池式沸腾下的大。 对比还发现，限制空间池式沸腾下的 qCHF 总体上 低于大空间池式沸腾下的 qCHF。
第 32 卷 第 6 期 2 0 11 年 12 月 文章编号：0258-0926(2011)06-0034-04
核动力工程
Nuclear Power Engineering
Vol.32. No.6 Dec. 2011
倾斜限制空间内池式沸腾临界热流密度试验研究
文青龙 1, 2，陈 军 2，赵 华 2
等文献研究的结论。 图 7 为将本试验发现的过渡角与 Howard、
Brusstar、Yang 和 Kim 等研究的试验数据进行综 合分析，发现的过渡角在总体上具有以下的特点：
（1）过渡角几乎都出现在小角度区域。 （2）在过渡角前后区域，CHF 的变化速率明 显不同。 （3）过渡角随窄缝尺寸的增加而增加。
图 6 多个文献关联式对试验数据的评价 Fig. 6 Assessment of Literature Correlation
for Experimental Results
和 El-Genk 关联式曲线基本上能反映本试验归一 化 CHF 值的变化趋势。从归一化 CHF 的量值上 讲，Monde 关联式高估了本研究的归一化 CHF 数 据，这可能是因为 Monde 是针对垂直矩形流道开 展试验，并没有覆盖一定的表面倾角；Vishnev 和 El-Genk 关联式与本试验大部分归一化的 CHF 数据吻合得较好，但高估了本试验低θ下的归一 化 CHF 值。Brusstar 关联式不仅与本试验 8 mm 窄缝尺寸下的归一化 CHF 值吻合得较好，而且还 预测了本试验大部分的归一 CHF 值。 3.2 过渡角分析
（2）CHF 值随θ变化时存在明显的过渡角， 3、5、8 mm 窄缝下的过渡角分别为 10 o、15°和 20°。
参考文献： [1] 文青龙. 表面倾角和窄缝尺寸对池式沸腾临界热流密
度影响的研究[D]. 成都：中国核动力研究设计院硕士 学位论文，2008. [2] Katto Y. Generalized Correlation for Critical Heat Flux of Natural Convective Boiling in Confined Channels[J]. Trans. JSME (in Japanese), 1978, 44: 3908-3911. [3] Monde M, Kusuda H, Uehara H. Critical Heat Flux During Natural Convective Boiling in Vertical Rectangular Channels Sub-Merged in Saturated Liquid[J]. Journal of Heat Transfer, 1982, 104: 300-303. [4] Kim Y H, Suh K Y. One-Dimensional Critical Heat Flux Concerning Surface Orientation and Gap Size Effects[J]. Nuclear Engineering and Design, 2003, 226: 277-292. [5] Vishnev I P. Effect of Orientating the Hot Surface with Respect to the Gravitational Field on the Critical Nucleate Boiling of a Liquid[J]. J Eng Phys, 1974, 24: 43-48. [6] Brusstar M J, Merte H, Keller R B, et al. Effects of Heater Surface Orientation on the Critical Heat Flux-I. An Experimental Evaluation of Models for Sub-Cooled Pool Boiling[J]. Int J Heat Mass Transf, 1997, 40:
关键词：限制空间；池式沸腾；临界热流密度；表面倾角 中图分类号：TL333 文献标志码：A
1前言
在过去的几十年，大空间池式沸腾临界热流 密度（CHF）试验已经开展得相当广泛，获取了 不同工质下的预测关联式。近些年来限制空间内 的池式沸腾现象引起了研究人员的广泛关注[1]。 Katto[2]、Monde[3]、Kim[4]、Vishnev[5]、Brusstar[6]、 El-Genk[7]、Howard[8]、Yang[9]、Fujita[10]和 Kim[11] 等的研究表明，加热表面的倾斜角度或矩形通道 的尺寸都会对限制空间内池式沸腾 CHF 产生一 定的影响。而对下朝向加热表面 CHF 影响规律的 研究尚不够深入。
图 7 文献数据与本试验数据的对比 Fig. 7 Comparison of Literature and
Experimental Results
4结论
本文通过对限制空间内池式沸腾 CHF 影响 规律的试验研究，得到了如下结论：
（1）CHF 值随表面倾角θ的降低而减小，随 窄缝尺寸 e 的增加而增加。
本文通过对倾斜矩形窄缝通道内池式沸腾 CHF 的试验研究，揭示表面倾角和窄缝尺寸对池 式沸腾 CHF 的影响规律。
2 试验系统和试验方法
2.1 试验系统 本试验系统主要包括试验装置（含试验本
体）、电气系统、测量控制系统、数据采集系统 和高速摄像系统等。
试验在大气压下充满饱和去离子水的试验装 置内开展。试验本体浸在饱和去离子水中，通过 600 kW 晶闸管整流电源直接加热；电加热器安装 在试验装置内，通过调压器进行现场控制加热， 以维持去离子水的温度；所有测点的温度、电流 和电压等信号经数据采集系统输入计算机进行显
图 1 试验本体总体结构简图 Fig. 1 General Drawings of Test Section
1——本体可视化玻璃；2——加热段组件；3——绝缘石英块； 4——本体支撑板；5——窄缝定位板；6——双头螺栓组件。
2.3 试验方法 试验过程中维持池内去离子水处于近大气压
饱和态，在每一个给定的表面倾角（θ）和窄缝尺 寸（e）下，根据设定的时间步长从 0 开始缓慢提 升加热功率，可以得到图 2 所示的加热壁面温度 和热流密度（q）随时间的变化曲线。当出现壁面 温度的飞升后，计算机自动减少加热功率 30%， 记录与 CHF 相关的热工参数。每组试验数据中 CHF 值的获取方法是：CHF 值（qCHF）等于壁面
Howard[8]、Brusstar[6]、Yang[9]和 Kim[11]在开 展θ对池式沸腾 CHF 影响的研究中，发现了过渡 角的存在。所谓过渡角，就是 CHF 随θ变化时速 率发生明显拐点处所对应的θ。当θ大于过渡角 时，CHF 变化缓慢，当θ小于过渡角时，CHF 急 剧减小。
本研究表明，过渡角随 e 的增加而增加。从 图 5 可以看出，在 e 为 3、5、8 mm 下的限制空 间池式沸腾中，清晰地发现过渡角分别为 10°、 15°、20°。研究还发现，当θ大于过渡角时，CHF 值变化缓慢；当θ小于过渡角时，CHF 值变化剧 烈，这也证实了 Howard、Brusstar、Yang 和 Kim
收稿日期：2010-07-07；修回日期：2011-03-02
文青龙等：倾斜限制空间内池式沸腾临界热流密度试验研究
35
表 1 试验本体设计参数
Table 1 Design Parameters of Test Section
构件
尺寸或材料
流道/mm
长度
200
宽度
20
长度
190
加热板/mm
宽度
18
厚度
温度飞升时的热流密度（qf）加上最后一次热流
密度增量（Δq）的一半，即：
qCHF
=
qf
+
Δq 2
（1）
3 试验结果与分析
3.1 参数影响规律分析 3.1.1 窄缝尺寸的影响 图 3 为不同 θ 下 qCHF 和 e 的关系图。在相同θ下，qCHF 随 e 的增加而 增大。从 qCHF 随 e 的增长趋势来看，当θ＝10° 时，qCHF 几乎与 e 呈线性增长的关系；当θ<10° 时，随着 e 的增加，qCHF 的增长速率先慢后快； 当θ>10°时，随 e 的增加，qCHF 的增长速率先快 后慢；e<3 mm 下的 qCHF 明显低于 e>5 mm 时的 qCHF。
示、判断和储存；利用计算机对电压和电流信号 进行现场实时控制，以实现对电功率的连续性调 节；采用美国 VRI 公司的 Phantom V9.0 高速摄像 系统进行可视化试验研究。 2.2 试验本体
图 1 为试验本体总体结构简图。试验本体主 要包括加热段组件、绝缘石英块、本体支撑板、 本体可视化视窗以及窄缝定位板等，采用直接电 加热。试验本体设计参数见表 1。
图 6 为 Monde[3]、Vishnev[5]、Brusstar[6]和 El-Genk[7]的关联式对本试验归一化 CHF 数据的 评价。从变化趋势上看，Monde、Vishnev、Brusstar
36
核动力工程
Vol. 32. No. 6.关系图 Fig. 5 Effect of Surface Inclination on CHF
2
加热板材料
0Cr18Ni10Ti
长度
200
绝缘石英块/mm
宽度
20
厚度
3
窄缝尺寸/mm
厚度
3；5；8
支撑板材料
20#碳钢
试验本体总长/mm
~320
可视化视窗材料
光学石英玻璃
图 3 CHF 值和窄缝尺寸 e 的关系图 Fig. 3 Effect of Gap Size on CHF
图 2 临界触发前后的壁面温度和热流密度曲线 Fig. 2 Profile of Wall Temperature and Heat Flux before and after CHF