流量波动条件下的矩形通道边界层流动与换热特性研究
摘要
随着“建设海洋强国”战略的提出，海上浮动核电站和核动力船舶的发展备受关注。
受风浪影响核动力船舶会产生摇摆、起伏、倾斜等运动并引起堆芯冷却剂在附加惯性作
用力下而产生瞬态的流量波动。当流量瞬态波动至低流量时，边界层成为冷却剂带走堆
芯热量的主要热阻，冷却剂的流动换热能力恶化，直接影响反应堆的安全运行。本文通
过宏观参数测量与精细化流场/温场可视化手段相结合的方式，以矩形通道稳态条件下
的测量结果为基准，分析流量波动条件下矩形通道的流动换热特性。
本文首先开展稳态条件下矩形通道流动特性研究，采用粒子图像测速技术（PIV）
测量3mm矩形通道窄边流场不同雷诺数工况（Re=1028~18865）的瞬时速度场分布，
获得了矩形通道时均速度分布、雷诺应力分布、涡量分布等流场特性。结果表明湍流工
况下，受壁面影响矩形通道内流体都处于速度边界层内层控制范围内，在速度边界层的
过渡层内存在雷诺应力的峰值区，流体的湍流脉动量交换剧烈。随着Re的增加，雷诺
切应力峰值区逐渐向壁面移动，对数律层占比增大。减小矩形通道间隙，将会限制近壁
面速度剖面的发展，使壁面摩擦切应力增大。
进一步开展单面加热矩形通道开展稳态加热条件下的流动换热特性研究，采用PIV
测速技术与激光诱导荧光（LIF）测温技术相结合的方式，获得了不同雷诺数（Re=1028
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~18865）与不同热流密度下（q=36~398kW/m）的流场细节信息与温度场分布特性，
揭示了混合对流换热与强迫对流换热工况下浮升力对流动换热特性的影响机制。研究结
果表明，层流工况下，浮升力同时促进了加热壁面附近流体微团的无规则脉动，最终使
加热壁面附近流体呈现局部湍流化现象，流体换热能力增强。湍流工况下，浮升力对流
体微团正向脉动的影响微弱，同时浮升力引入的扰动抑制了流体微团的横向脉动。在充
分湍流工况下，增大壁面热流密度与平均流速，矩形通道速度边界层与温度边界层的结
构基本不变。
随后，基于单面加热矩形通道开展流量波动条件下矩形通道内流动换热特性研究表
明，脉动周期的减小及脉动振幅的增大均会使瞬时摩擦阻力系数“环形曲线”的覆盖范
围增加，加热壁面温度波动振幅增加，脉动流的引入具有一定的强化换热作用。最后通
过连续PIV测速技术对流量波动条件下矩形通道流场分布特性开展研究，实验的周期平
均雷诺数为Re=2646~10743，脉动振幅为A=0.2~1，脉动周期为t=4s~14s，通过
tau0
不同脉动参数的实验数据从微观流场特性的角度上解释流量波动下矩形通道的流动换
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
热特性。瞬态流场微观测量研究结果表明，增大脉动振幅与减小脉动周期，使脉动流惯
性力的层流化作用增强，流场的湍流程度降低，对流换热能力减弱。流体发生跨区流动
的脉动流工况下，加速半周期内脉动流的惯性力起到层流化作用，使流体由层流至湍流
的转捩点滞后；减速半周期内的惯性力起到湍流化作用，使流体由湍流至湍流的转捩点
提前。在湍流脉动工况，流量波动引入的惯性力抑制了流场的湍流旋涡扩散，使流场的
湍流程度降低，加速状态惯性力的抑制作用较强而减速状态下的抑制作用较弱。1
关键词：窄矩形通道；脉动流；可视化实验；边界层结构；流动换热特性
本论文受国家自然科学基金资助
流量波动条件下的矩形通道边界层流动与换热特性研究
Abstract
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