窄矩形通道内气液两相流界面浓度及气泡尺寸分布特性研究
摘要
气液两相流广泛存在于反应堆中，影响反应堆安全稳定运行。在气液两相流研究
中，两流体模型被认为是最精确的模型；作为两流体模型的关键参数，界面浓度表征
相间传递能力，气泡尺寸决定相间接触面积，两者对气液两相流研究具有重要作用。
窄矩形通道具有结构紧凑、换热面积大等优势，在反应堆一体化、小型化等方面具有
良好的应用前景。
本研究对窄矩形通道中气液两相流进行了研究，主要包括界面浓度及气泡尺寸分
布两部分：针对界面浓度，采用自编程序对现有界面浓度模型适用性进行了验证，提
出了气泡聚合破碎模型，建立了界面浓度输运方程，探究了气泡相互作用对界面浓度
的影响；针对气泡尺寸分布，采用数值模拟对多尺寸组模型适用性进行了研究，并对
气泡尺寸分布影响因素及气泡行为进行了研究。现得出如下结论：
首先，一群界面浓度输运模型在泡状流低流速工况下预测精度较高，在较高流速
工况下预测精度较低；二群界面浓度输运模型在弹状流及搅混流流型下预测精度较高，
平均相对误差为4.52%。本研究对一群界面浓度输运模型进行了改进优化，提出了气
泡尾流夹带模型，优化模型预测精度较高，平均相对误差为5.80%。
其次，泡状流工况下，随机碰撞效应对界面浓度贡献最大，尾流夹带次之，混流
影响最小。气相折算速度增加会增强随机碰撞、尾流夹带、混流影响效应；液相折算
速度增加会增加气泡随机碰撞、混流影响效应，对尾流夹带影响不大。弹状流及搅混
流工况下，随机碰撞效应及尾流夹带效应贡献较大，其余机制贡献较小。气相折算速
度及液相折算速度对一群气泡影响不大；气相折算速度增加使二群气泡随机碰撞效应
及尾流夹带效应增强，液相折算速度增加对气泡作用机制影响较小，且使尾流夹带效
应略微减弱。但是在所有流型工况下，气泡速度及压力对界面浓度贡献很大。
接着，多尺寸组模型在大部分泡状流工况下预测精度较高，但在空泡份额较大误
差增大。本研究通过调整气泡聚合破碎模型系数提高了多尺寸组模型预测精度，但在
空泡份额0.3工况下仍具有一定的误差，本研究认为主要原因为相关气泡模型不能描
述该工况下气泡行为。
最后，气相折算速度增加使气泡尺寸分布更加“陡峭”，各气泡群空泡份额显著增
加；液相折算速度增加使气泡尺寸分布更加“平缓”，小气泡群占比增加。大部分工况
下气相分布、索特平均直径分布均呈“中心峰”分布，少量工况呈“壁面峰”分布，且“中
哈尔滨工程大学硕士学位论文
心峰”分布预测精度较高，“壁面峰”分布预测精度较低；气泡速度为中心区高、壁面区
低。通过归纳总结，发现气相在径向不同的分布形式表示了不同的气泡行为，如气泡
聚合破碎、受力等，使得多尺寸组模型产生不同的预测准确度。
关键词：气液两相流；两流体模型；界面浓度；气泡尺寸分布
窄矩形通道内气液两相流界面浓度及气泡尺寸分布特性研究
ABSTRACT
Gas-liquidtwo-phaseflowexistswidelyinnuclearreactor,whichaffectsthesafetyand
stabilityofnuclearreactoroperation.Inthestudyofgas-liquidtwo-phaseflow,thetwo-fluid
modelisconsideredtobethemostaccuratemodel.Asthekeyparameterofthetwo-fluid
model,interfacialareaconcentrationrepresentstheinterphasetransfercapacitywhilebubble
sizedeterminestheinterphasecontactarea,andbothofthemplayanimportantroleinthe
studyofgas-liquidtwo-phaseflow.Thenarrowrectangularchanne