探析高速摄像机在核电工程技术研究中的应用收藏

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Dl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。

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