海洋条件对螺旋管内阻力特性影响的实验研究
摘要
螺旋管具有高传热性能和紧凑的设计，广泛用于不同工业应用中的换热器设计[1]。
这些特性也使其对综合核电站（NPP）蒸汽发生器的设计具有吸引力，尤其是船舶核动
力装置。作为船舶核动力装置中蒸汽发生器的换热管(OSTG)，随着舰船在海上行驶过程
中总会受到不同形式的作用力的影响，对螺旋管内流动规律造成影响。本文以船用反应
堆为背景，对海洋条件对螺旋管内流动特性实验研究，过程中利用布置在螺旋管上的热
电偶和压差传感器对螺旋管上的热工参数进行测量，并采用摇摆平台施加摇摆、起伏等
海洋条件。然后根据实验结果分析海洋条件对单相及两相阻力特性的影响。本文得到的
主要研究内容如下：
（1）研究了螺旋管内单相流动特性，发现随着Re的增大，螺旋管内单相压降也随
之增大，但是摩擦阻力系数却呈现相反的变化趋势。基于以上结论，将螺旋管内单相摩
擦阻力系数与前人的经验关系式对比发现，螺旋管内单相摩擦阻力系数模型在不同Re
区域预测的准确度不同，大部分关系式都在大雷诺数情况下比较符合。
（2）给出了海洋条件下（摇摆、起伏）等对螺旋管内单相阻力特性的影响。结果表
明起伏对流量、压降等参数的影响并不是呈现一定规律的正弦波动，起伏周期和起伏高
度会对螺旋管内的单相阻力及摩擦阻力系数造成较大的影响。同时给出了摇摆对螺旋管
内流动特性的影响，实验结果发现摇摆过程中系统内流量、压降、摩擦阻力系数等会随
着摇摆在稳定值附近波动，增大摇摆的周期和角度则会使波动变得更加剧烈。考虑到入
口温度的影响，对于摇摆条件，入口温度会使得相关参数的变化规律与冷态相反，而对
于起伏条件，入口温度的增大则会使相关参数的波动变得更加剧烈。
（3）分别针对均相流模型和分相流模型进行预测计算。发现均相流模型与实验结
果偏差较大。大多数学者采用分相流对螺旋管内的两相摩擦压降进行预测，将实验结果
与相关经验公式对比发现，很多预测公式并不能完全适用于大多情况下的两相压降，
Hardik和Chen的经验公式预测较为准确。。
（4）对海洋条件下螺旋管内两相流动阻力特性进行研究发现：起伏对系统流量的
影响与单相相同，但是起伏会使得饱和沸腾起始点发生后移从而导致出口干度的减小直
接影响两相的加速压降。对于两相重位压降，起伏会使螺旋管位置升高从而导致重位压
降的增大，在此基础上，摩擦压降也会受到起伏的影响有所降低。而起伏参数的影响大
多会使得数据变得更加不稳定。对于摇摆的影响与单相类似，但是波动的并不完全式周
哈尔滨工程大学硕士学位论文
期性正弦波动，反而会收到一些因素的影响，其次摇摆参数的增大会使饱和沸腾起始点
前移从而增大了出口干度，加速压降也会因此增大，而对于重位压降和摩擦压降，摇摆
则会使其在稳定值附近上下波动。
关键词：螺旋管；海洋条件；流动阻力特性；压降
海洋条件对螺旋管内阻力特性影响的实验研究
ABSTRACT
Spiraltubeshavehighheattransferperformanceandcompactdesign,andarewidelyused
inthedesignofheatexchangersindifferentindustrialapplications[1].Thesecharacteristics
alsomakeitattractiveforthedesignofsteamgeneratorsinintegratednuclearpowerplants
(NPPs),especiallyforshipnuclearpowerplants.Astheheatexchangetube(OSTG)ofthe
steamgeneratorinthenuclearpowerplantofships,itisalwaysaffectedbydifferentformsof
forcesduringtheseatravelprocess,whichaffectstheflowpatterninsid