CN113551870A - 一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法及系统，具体包括：获取影响并联通道流动失稳行为的任一几何构型尺寸流道的特征尺寸；根据所述特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性；通过所述轴向受热均匀性和周向受热均匀性的乘积，表征所述几何尺寸流道受热均匀性的无量纲量；在对比分析几何构型尺寸对并联通道流动失稳行为特征以及流动失稳边界时，通过所述无量纲量对不同的几何构型尺寸流道进行区别和表征。本发明有效解决了现行的单纯适用热工参数表征并联通道流动失稳特征的局限性，对研究并联通道的流动失稳行为以及支持不同尺寸并联通道的相应换热系统的热工水力设计和安全评审尤有重要意义。

Description

一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法及系统
技术领域
本发明涉及反应堆热工水力领域，具体涉及一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法及系统。
背景技术
并联通道广泛存在于诸多大型的高功率密度的换热器中，加热的并联通道之间由于两相压降特性的变化以及传热相对于流动的延迟等，可能导致并联通道内的冷却剂流量发生周期性的脉动，是为并联通道间的流动失稳。冷却剂流量的周期性脉动可能导致部件产生有害的机械振动和疲劳损坏，同时还会带来热应力的周期性变化导致热疲劳损坏，甚至影响局部的传热特性导致传热恶化，威胁换热系统的安全性。为此，研究并联矩形通道间的流动失稳特性，对合理设计换热器有效防止流动失稳发生，有着重要的意义。
现行的流动失稳边界的表示方法大多采用界限含气率或者进口过冷度数和相变数构建的失稳边界，这两种表示方法均采用的是热工参数。实际上加热通道的几何尺寸对并联通道的流动失稳行为具有显著的影响，仅用热工参数表征并联通道流动失稳行为的特性无法表征几何尺寸对流动失稳行为的影响特性。然而，对于不同的换热系统而言，其加热通达的几何构型存在着较大的差异，单纯运用热工参数存在着明显的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中仅用热工参数表征并联通道流动失稳行为的特性无法表征几何尺寸对流动失稳行为的影响特性，目的在于提供一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法及系统，可以表征几何尺寸对流动失稳行为影响机制，有效解决了现行的单纯适用热工参数表征并联通道流动失稳特征的局限性问题。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明的第一种实现方式，一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法，包括：获取影响并联通道流动失稳行为的任一几何构型尺寸流道的特征尺寸；根据所述特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性；通过所述轴向受热均匀性和周向受热均匀性的乘积，表征所述几何尺寸流道受热均匀性的无量纲量；在对比分析几何构型尺寸对并联通道流动失稳行为特征以及流动失稳边界时，通过所述无量纲量对不同的几何构型尺寸流道进行区别和表征。
本发明首先从流动失稳发生的机制出发，明确并联通道之间发生流动失稳行为的核心机制在两相区域的压降突变；压降突变的核心在于冷却剂的载热与加热壁面热流密度之间的对应关系。为此，本发明利用受热相对更均匀，通道内的相分布相对更均匀，导致两相的摩擦压降更难发生突破，从而使失稳界限含气率升高的特性，通过并联通道轴向和周向的受热均匀性来表征不同几何尺寸下的并联通道流动失稳特性。本发明为更好的表征几何构型的影响，提出针对不同几何尺寸并联通道流动失稳影响机制的表征方法，对研究并联通道的流动失稳行为以及支持不同尺寸并联通道的相应换热系统的热工水力设计和安全评审尤为重要。
进一步的，根据所述特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性，具体包括：所述特征尺寸包括加热面面积、流通截面面积、热周和湿周；通过所述加热面面积和流通截面面积的比值表征所述轴向受热均匀性；通过所述热周和湿周的比值表征所述周向受热均匀性。
进一步的，所述几何构型尺寸流道包括：棒束、半圆形管或方管。
进一步的，所述几何构型尺寸流道为棒束时，所述无量纲量Rc，通过如下公式表示：
Figure BDA0003128955960000031
其中，R表示棒束半径，e表示棒间距，L表示流道长度。
进一步的，所述几何构型尺寸流道为半圆形管时，所述无量纲量Rc，通过如下公式表示：
Figure BDA0003128955960000032
其中，d表示半圆形管直径，L表示流道长度。
进一步的，所述几何构型尺寸流道为方管时，所述无量纲量Rc，通过如下公式表示：
Figure BDA0003128955960000033
其中，a表示非加热面宽度，b表示加热面宽度，L表示流道长度。
本发明的第二种实现方式，一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征系统，包括：
特征尺寸获取模块，用于获取影响并联通道流动失稳行为的任一几何构型尺寸流道的特征尺寸，所述特征尺寸包括加热面面积、流通截面面积、热周和湿周；
流道受热均匀性表征模块，用于根据所述特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性，通过所述轴向受热均匀性和周向受热均匀性的乘积，表征所述几何尺寸流道受热均匀性的无量纲量；
几何构型尺寸流道分析模块，用于在对比分析几何构型尺寸对并联通道流动失稳行为特征以及流动失稳边界时，通过所述无量纲量对不同的几何构型尺寸流道进行区别和表征。
进一步的，所述流道受热均匀性表征模块中，包括：
轴向受热均匀性表征模块，用于通过所述加热面面积和流通截面面积的比值表征所述轴向受热均匀性；
周向受热均匀性表征模块，用于通过所述热周和湿周的比值表征所述周向受热均匀性。
本发明的第三种实现方式，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法。
本发明的第四种实现方式，一种计算机设备，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明利用并联通道轴向和周向受热均匀性来反映通道内的相分布均匀性，从而表征不同几何结构尺寸的并联通道流动失稳行为的特性，有效解决了现行的单纯适用热工参数表征并联通道流动失稳特征的局限性。对研究并联通道的流动失稳行为以及支持不同尺寸并联通道的相应换热系统的热工水力设计和安全评审尤有重要意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为棒束流道三维示意图及其流通截面图；
图2为半圆形管流道三维示意图及其流通截面图；
图3为方管流道三维示意图及其流通截面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例1是一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法，包括：获取影响并联通道流动失稳行为的任一几何构型尺寸流道的特征尺寸；特征尺寸包括加热面面积、流通截面面积、热周和湿周；根据特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性；通过加热面面积和流通截面面积的比值表征轴向受热均匀性；通过热周和湿周的比值表征周向受热均匀性。通过轴向受热均匀性和周向受热均匀性的乘积，表征几何尺寸流道受热均匀性的无量纲量；在对比分析几何构型尺寸对并联通道流动失稳行为特征以及流动失稳边界时，通过无量纲量对不同的几何构型尺寸流道进行区别和表征。
本实施例1首先从流动失稳发生的机制出发，明确并联通道之间发生流动失稳行为的核心机制在两相区域的压降突变；压降突变的核心在于冷却剂的载热与加热壁面热流密度之间的对应关系。为此，本实施例1利用受热相对更均匀，通道内的相分布相对更均匀，导致两相的摩擦压降更难发生突破，从而使失稳界限含气率升高的特性，通过并联通道轴向和周向的受热均匀性来表征不同几何尺寸下的并联通道流动失稳特性。本实施例1为更好的表征几何构型的影响，提出针对不同几何尺寸并联通道流动失稳影响机制的表征方法，对研究并联通道的流动失稳行为以及支持不同尺寸并联通道的相应换热系统的热工水力设计和安全评审尤为重要。
实施例2
本实施例2在实施例1的基础上，一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征系统，包括：
1、特征尺寸获取模块，用于获取影响并联通道流动失稳行为的任一几何构型尺寸流道的特征尺寸，特征尺寸包括加热面面积、流通截面面积、热周和湿周；
2、流道受热均匀性表征模块，用于根据特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性，通过轴向受热均匀性和周向受热均匀性的乘积，表征几何尺寸流道受热均匀性的无量纲量；
流道受热均匀性表征模块中，包括以下子模块：
a、轴向受热均匀性表征模块，用于通过加热面面积和流通截面面积的比值表征轴向受热均匀性；
b、周向受热均匀性表征模块，用于通过热周和湿周的比值表征周向受热均匀性。
3、几何构型尺寸流道分析模块，用于在对比分析几何构型尺寸对并联通道流动失稳行为特征以及流动失稳边界时，通过无量纲量对不同的几何构型尺寸流道进行区别和表征。
实施例3
本实施例3是在实施例1的基础上，一种不同几何尺寸对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法。首先从流动失稳发生的机制出发，明确并联通道之间发生流动失稳行为的核心机制在两相区域的压降突变；压降突变的核心在于冷却剂的载热与加热壁面热流密度之间的对应关系。利用受热相对更均匀，通道内的相分布相对更均匀，导致两相的摩擦压降更难发生突变，从而使失稳界限含气率升高的特性，通过并联通道轴向和周向的受热均匀性来表征不同几何尺寸下的并联通道流动失稳特性，有效解决了现行的单纯使用热工参数表征并联通道流动失稳特征的局限性，对研究并联矩形通道间的流动失稳特性，以及合理设计换热器有效防止流动失稳发生有着重要的意义。
影响并联通道流动失稳行为的特征尺寸主要包括加热面面积、流通截面面积、热周、湿周；对于不同几何构型的而言，其特征尺寸明确有所差异，以棒束(如图1)、半圆形管(如图2)和方管(如图3)为例。三种流道的特征尺寸的明确方式分别如下：
加热面面积：2πRL、
Figure BDA0003128955960000071
2bL；
流通截面面积：(2R+e)2-πR2、
Figure BDA0003128955960000072
ab；
热周：2πR、
Figure BDA0003128955960000073
2b；
湿周：2πR+4e、
Figure BDA0003128955960000074
2b+2a；
其中，R表示棒束半径，e表示棒间距，L表示流道长度，d表示半圆形管直径，a表示非加热面宽度，b表示加热面宽度。
几何尺寸对流动失稳行为特征的无量纲表征：
加热面面积和流通截面面积表征了轴向的受热均匀性，在两相区域则体现为流动方向上的相态分布。加热面积相对于流通截面面积越大，轴向受热越均匀。因此，采用加热面面积和流通截面面积的比值表征轴向受热均匀性，用Rv表示，上述三种流道的Rv分别为：
Figure BDA0003128955960000081
热周和湿周表征了周向的受热均匀性，在两相区域则体现在截面的相态分布。热周相对湿周越大，周向受热越均匀。为此，采用热周和湿周的比值表征周向的受热均匀性，用Ra表示，上述三种流道的Ra分别为：
Figure BDA0003128955960000082
获得轴向和周向受热均匀性的表征方法之后，再通过无量纲量Rc整合轴向和周向的受热均匀性，以表征几何构成尺寸对并联通道流动失稳行为的特征。Rc为Rv和Ra的乘积，对于上述三种流道而言，分别为：
Figure BDA0003128955960000083
简化为：
Figure BDA0003128955960000084
Rc为不同几何构型尺寸的流道受热均匀性的无量纲表征，在对比分析几何构型尺寸对并联通道流动失稳行为特征以及流动失稳边界时，可用Rc对不同的几何构型尺寸流道进行区别和表征。
本实施例3利用并联通道轴向和周向受热均匀性来反映通道内的相分布均匀性，从而表征不同几何结构尺寸的并联通道流动失稳行为的特性，有效解决了现行的单纯适用热工参数表征并联通道流动失稳特征的局限性。对研究并联通道的流动失稳行为以及支持不同尺寸并联通道的相应换热系统的热工水力设计和安全评审尤有重要意义。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者所述的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等等。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法，其特征在于，具体包括：
获取影响并联通道流动失稳行为的任一几何构型尺寸流道的特征尺寸；
根据所述特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性；
通过所述轴向受热均匀性和周向受热均匀性的乘积，表征所述几何尺寸流道受热均匀性的无量纲量；
在对比分析几何构型尺寸对并联通道流动失稳行为特征以及流动失稳边界时，通过所述无量纲量对不同的几何构型尺寸流道进行区别和表征。
2.根据权利要求1所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法，其特征在于，根据所述特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性，具体包括：
所述特征尺寸包括加热面面积、流通截面面积、热周和湿周；
通过所述加热面面积和流通截面面积的比值表征所述轴向受热均匀性；
通过所述热周和湿周的比值表征所述周向受热均匀性。
3.根据权利要求2所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法，其特征在于，所述几何构型尺寸流道包括：棒束、半圆形管或方管。
4.根据权利要求3所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法，其特征在于，所述几何构型尺寸流道为棒束时，所述无量纲量Rc，通过如下公式表示：
Figure FDA0003128955950000011
其中，R表示棒束半径，e表示棒间距，L表示流道长度。
5.根据权利要求3所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法，其特征在于，所述几何构型尺寸流道为半圆形管时，所述无量纲量Rc，通过如下公式表示：
Figure FDA0003128955950000021
其中，d表示半圆形管直径，L表示流道长度。
6.根据权利要求3所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法，其特征在于，所述几何构型尺寸流道为方管时，所述无量纲量Rc，通过如下公式表示：
Figure FDA0003128955950000022
其中，a表示非加热区域宽度，b表示加热区域宽度，L表示流道长度。
7.一种对并联通道流动失稳行为影响机制的表征系统，其特征在于，包括：
特征尺寸获取模块，用于获取影响并联通道流动失稳行为的任一几何构型尺寸流道的特征尺寸，所述特征尺寸包括加热面面积、流通截面面积、热周和湿周；
流道受热均匀性表征模块，用于根据所述特征尺寸获得轴向受热均匀性和周向受热均匀性，通过所述轴向受热均匀性和周向受热均匀性的乘积，表征所述几何尺寸流道受热均匀性的无量纲量；
几何构型尺寸流道分析模块，用于在对比分析几何构型尺寸对并联通道流动失稳行为特征以及流动失稳边界时，通过所述无量纲量对不同的几何构型尺寸流道进行区别和表征。
8.根据权利要求7所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征系统，其特征在于，所述流道受热均匀性表征模块中，包括：
轴向受热均匀性表征模块，用于通过所述加热面面积和流通截面面积的比值表征所述轴向受热均匀性；
周向受热均匀性表征模块，用于通过所述热周和湿周的比值表征所述周向受热均匀性。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述对并联通道流动失稳行为影响机制的表征方法。
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