本發(fā)明涉及臨界熱流密度測(cè)量方法，具體地，涉及一種基于熱流修正的CHF測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

沸騰換熱廣泛應(yīng)用于核電、化工、微電子等領(lǐng)域，對(duì)于沸騰換熱，沸騰換熱系數(shù)(HTC)和臨界熱流密度(CHF)是非常關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)。HTC表征流體與固體表面之間的換熱能力，CHF為沸騰換熱面發(fā)生沸騰臨界前所能達(dá)到的最大熱流密度，一旦熱流密度超過CHF，沸騰換熱面將發(fā)生干涸燒毀，故預(yù)知CHF對(duì)保護(hù)設(shè)備的性能和安全有著重要的意義。

基于熱平衡原理，總的輸入加熱本體的功率等于加熱本體漏熱量與沸騰換熱面換熱量總和。假設(shè)輸入本體的能力為P₁，本體通過除了沸騰換熱面外的其他面向環(huán)境漏熱，通過布置熱電偶可以測(cè)得這些面的漏熱量P₂。沸騰換熱面的面積通過測(cè)量可以得到，設(shè)為S。現(xiàn)在普遍的臨界熱流密度測(cè)量計(jì)算公式為：

其中η為系統(tǒng)的熱效率，

由熱力學(xué)第二定律可知，凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)地從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞。很顯然，式(1)在非均勻加熱沸騰換熱中是很不適用的，在均勻加熱沸騰換熱中也是不夠準(zhǔn)確的。在非均勻加熱沸騰換熱中，加熱本體內(nèi)部會(huì)有熱擴(kuò)散，式(1)僅考慮了熱平衡問題，未將熱擴(kuò)散計(jì)算在內(nèi)，所以僅用式(1)計(jì)算得到的CHF是偏大的。

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與熱平衡的臨界熱流密度測(cè)量方法，可以在考慮系統(tǒng)熱平衡問題的同時(shí)解決非均勻加熱沸騰換熱中的熱擴(kuò)散問題，提高CHF的測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于熱流修正的CHF測(cè)量方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于熱流修正的CHF測(cè)量方法，包括如下步驟：

步驟1：分析加熱本體的漏熱環(huán)節(jié)，通過在加熱表面處布置熱電偶，監(jiān)測(cè)加熱本體的漏熱環(huán)節(jié)處的溫度實(shí)測(cè)值，并得到通過漏熱環(huán)節(jié)的漏熱損失；

步驟2：利用加熱本體漏熱環(huán)節(jié)處的溫度實(shí)測(cè)值或估值作為邊界條件，對(duì)加熱本體進(jìn)行三維建模與數(shù)值模擬計(jì)算，并將計(jì)算得到的與熱電偶測(cè)量位置相同的溫度與加熱本體內(nèi)布置的熱電偶的實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比；

若計(jì)算得到的溫度相對(duì)于測(cè)量溫度誤差小于等于1％，則認(rèn)為通過三維建模與數(shù)值模擬計(jì)算得到的加熱本體的熱效率與銅條的實(shí)際熱效率一致，確定該加熱本體的熱效率上限；若誤差大于1％，則調(diào)整沸騰換熱面的換熱系數(shù)，重新計(jì)算再與熱電偶實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比；

步驟3：通過實(shí)際峰值熱流與理論峰值熱流之比來估計(jì)熱流的修正因子C，計(jì)算臨界熱流密度。

優(yōu)選地，還包括：熱流分布均勻性分析步驟，基于三維導(dǎo)熱數(shù)值模擬結(jié)果，評(píng)估加熱面上的熱流分布均勻性，評(píng)估確定由加熱功率計(jì)算得到加熱面上平均熱流方法是否適用，若加熱本體在寬度方向上的熱流分布不均勻，則不適用，若在寬度方向上熱流分布均勻，則認(rèn)為適用。

優(yōu)選地，所述步驟3中臨界熱流密度測(cè)量計(jì)算公式如下：

式中：P₁表示臨界熱流密度CHF發(fā)生處的最高輸入功率，S表示最高輸入功率處對(duì)應(yīng)的沸騰換熱面面積，C表示熱流修正因子。

優(yōu)選地，所述步驟3中熱流的修正因子C的估計(jì)公式如下：

式中：q_B表示最大沸騰換熱熱流，P_max表示最大輸入功率，S₁為P_max對(duì)應(yīng)的沸騰換熱面面積。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明提供的基于熱流修正的CHF測(cè)量方法可用于大型工程試驗(yàn)臺(tái)架非均勻加熱沸騰換熱中臨界熱流密度的求取，有效提高測(cè)量結(jié)果精度。

2、本發(fā)明提供的基于熱流修正的CHF測(cè)量方法可以在考慮系統(tǒng)熱平衡問題的同時(shí)解決非均勻加熱沸騰換熱中的熱擴(kuò)散問題，提高CHF的測(cè)量精度。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為試驗(yàn)本體加熱塊的熱平衡分析圖；

圖2為本發(fā)明提供的基于熱流修正的CHF測(cè)量方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于熱流修正的CHF測(cè)量方法，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件，將向環(huán)境的漏熱和系統(tǒng)內(nèi)部的熱擴(kuò)散問題耦合，提出一種CHF的測(cè)量方法，旨在提高CHF的測(cè)量精度，為試驗(yàn)和工程提供參考。

在發(fā)生沸騰臨界時(shí)，沸騰換熱面的換熱系數(shù)會(huì)急劇下降，此時(shí)沸騰換熱面的溫度會(huì)急劇上升。因此在進(jìn)行沸騰換熱測(cè)量CHF時(shí)，一般都會(huì)在近沸騰換熱面處布置熱電偶來監(jiān)測(cè)CHF的出現(xiàn)，防止出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。

具體地，分析加熱本體各種可能的漏熱環(huán)節(jié)，通過在加熱表面處布置熱電偶，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)本體各漏熱環(huán)節(jié)典型位置處的溫度實(shí)測(cè)值(穩(wěn)態(tài)值)，確定通過各漏熱環(huán)節(jié)的漏熱損失。再利用加熱本體漏熱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或(保守)估值作為邊界條件，對(duì)試驗(yàn)本體進(jìn)行三維建模與數(shù)值模擬計(jì)算，將計(jì)算得到的溫度與加熱本體內(nèi)布置的熱電偶的實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩者大致相同時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算模型的熱效率與銅條的實(shí)際熱效率一致，即可確定試驗(yàn)本體的熱效率上限；同時(shí)，基于三維導(dǎo)熱數(shù)值模擬結(jié)果，評(píng)估加熱面上的熱流分布均勻性，進(jìn)而評(píng)估確定由加熱功率計(jì)算得到加熱面上平均熱流方法的適用性。

另外，鑒于采用三維導(dǎo)熱數(shù)值模擬可考慮加熱本體熱擴(kuò)散效應(yīng)，故可由其實(shí)際峰值熱流與理論峰值熱流之比來估計(jì)當(dāng)?shù)責(zé)崃鞯男拚蜃覥(correction factor)。

則臨界熱流密度測(cè)量計(jì)算公式為：

其中P₁為CHF發(fā)生處的最高輸入功率，S為最高輸入功率處對(duì)應(yīng)的沸騰換熱面面積，C為熱流修正因子。

本測(cè)量方法的重點(diǎn)為得到熱流修正因子C，為了確定熱流修正因子C(或確定該峰值熱流處的實(shí)際熱流q_c)，首先要詳細(xì)分析并測(cè)量試驗(yàn)本體的熱平衡，以IVR試驗(yàn)臺(tái)架為例，如圖1所示。其相應(yīng)的(集總)熱平衡關(guān)系為：

∑P_i＝∑_sq_sw+∑_sq_uw+∑_sq_stw+Σ_sq_B+∑(q_l+q_r)

在上述的本體加熱塊熱平衡關(guān)系中：

上表面漏熱熱流q_uw、側(cè)面漏熱熱流q_sw(還包含通過旁支的漏熱)，以及向下水箱的漏熱熱流q_stw(包括透過密封墊、龍門架向下水箱的漏熱等)：可通過設(shè)置的熱平衡監(jiān)測(cè)熱電偶測(cè)量溫度(梯度)，由Fourier定律估算(透過密封墊的漏熱)或數(shù)值計(jì)算(透過龍門架的漏熱)求得；加熱塊單元向相鄰單元的周向?qū)醧_l、q_r：由本體上段間固壁熱電偶測(cè)得溫差來估算；加熱棒組輸入熱流：在特定試驗(yàn)工況下為已知。

這些都可作為這一段本體三維導(dǎo)熱計(jì)算的邊界條件與源項(xiàng)。這樣，要想了解該段加熱本體內(nèi)的溫度場(chǎng)，以及壁面熱流，就只需確定剩下的一個(gè)邊界條件，即該段朝下加熱表面的沸騰換熱熱流q_B了。

然而沸騰換熱情況較復(fù)雜，并不十分清楚。好在本體固壁上設(shè)有a、b、c三排固壁測(cè)溫點(diǎn)，則可在假設(shè)沸騰換熱邊界條件的情況下(這里選用SBLB的試驗(yàn)結(jié)果作為初始試探值)，經(jīng)不斷調(diào)整沸騰換熱邊界條件，使得計(jì)算所得三排熱偶測(cè)溫處溫度與實(shí)測(cè)溫度之間偏差ε_i均滿足特定“接受”準(zhǔn)則，并以此情況下的三維數(shù)值結(jié)果，作為對(duì)試驗(yàn)本體實(shí)際溫度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的最佳估計(jì)。有了實(shí)際溫度場(chǎng)(及相應(yīng)的熱流場(chǎng))，就能根據(jù)本體上峰值熱流處的表面實(shí)際熱流(q_c)來估計(jì)熱流修正因子C了，

其中：q_B為該段模型最大沸騰換熱熱流，P_max為該段模型最大輸入功率，S₁為P_max對(duì)應(yīng)的沸騰換熱面面積。

則臨界熱流密度測(cè)量計(jì)算公式為：

其中P₁為CHF發(fā)生處的最高輸入功率，S為最高輸入功率處對(duì)應(yīng)的沸騰換熱面面積，C為熱流修正因子。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。