[发明专利]获得燃料元件矩形窄缝通道内干涸型临界热流密度的方法

权利要求书

1.一种获得燃料元件矩形窄缝通道内干涸型临界热流密度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：给定燃料元件矩形窄缝通道几何参数即流道截面长、流道截面宽和通道长度，以及初始热工参数即进口温度、进口流量和出口压力，设置一个初始环状流液膜厚度及初始热流密度q_e；

步骤二：计算燃料元件矩形窄缝通道内汽相质量流量、汽相速度、含气率和液相质量流量：

汽相质量流量采用能量守恒关系式计算：

式中：

M_v，p——根据能量守恒获得的汽相质量流量/kg·s^-1；

q_e——初始热流密度/W·m^-2；

w——矩形窄缝通道流通截面长/m；

s——矩形窄缝通道流通截面宽/m；

L——矩形窄缝通道长/m；

G——矩形窄缝通道入口流体质量流速/kg·m^-2·s^-1；

C_pl——液相定压比热容/J·kg^-1·K^-1；

T_sat——液相饱和温度/K；

T_in——矩形窄缝通道入口流体温度/K；

h_fg——汽化潜热/J·kg^-1；

采用公式1获得汽相质量流量后，结合几何参数获得汽相速度；结合几何参数和进口流量获得含气率；结合含气率、几何参数和进口流量获得液相质量流量；

步骤三：计算燃料元件矩形窄缝通道内液相速度、环状流液膜雷诺数和环状流液膜厚度；通过步骤二中获得液相质量流量，结合几何参数获得液相速度；以初始环状流液膜厚度为特征尺寸获得环状流液膜雷诺数；环状流液膜厚度计算采用量纲分析法，通过分析动力粘度、液膜密度、液膜速度对液膜厚度的影响，采用遗传算法获得液膜厚度关于动力粘度、液膜密度、液膜速度的关系式的系数和指数；求解环状流液膜厚度的公式如下：

式中：

δ_c——环状流液膜厚度计算值/m；

U_l——液相速度/m·s^-1；

μ_l——液相动力粘度/Pa·s；

ρ_l——饱和液相密度/kg·m^-3；

g——重力加速度/m·s^-2；

a_i——根据遗传算法拟合的经验系数，其中，i＝1，2，…，5；

步骤四：比较步骤一中设置的初始环状流液膜厚度与步骤三中计算所得的环状流液膜厚度，若二者误差小于0.1％，则认为环状流液膜厚度收敛，继续步骤五计算；若二者误差大于0.1％，则采用计算所得的环状流液膜厚度替换初始环状流液膜厚度，重复步骤三的过程；

步骤五：重新计算燃料元件矩形窄缝通道内液相速度及对应液相速度下的热流密度q₁；由于液相速度与环状流液膜厚度有关，而液相速度是先于环状流液膜厚度计算的，因此根据步骤四得到收敛后的环状流液膜厚度后，还需重新计算液相速度以确保液相速度也是收敛的；获得收敛的环状流液膜厚度所对应的液相速度后，由于液相速度的计算公式中包含热流密度项，因而根据液相速度公式反推液膜厚度收敛条件下的热流密度q₁；

步骤六：根据亥姆霍兹稳定性判据计算得到汽相速度和对应汽相速度下的热流密度q₂；

步骤七：比较步骤五中环状流液膜厚度收敛条件下的热流密度q₁和步骤六中亥姆霍兹临界稳定条件下的热流密度q₂，若二者误差小于0.1％，则认为热流密度收敛，q₂即为收敛后的热流密度；若二者误差大于0.1％，则取q₁和q₂的均值并赋值给初始热流密度q_e，采用更新后的热流密度重复步骤二至步骤六的过程；

步骤八：将步骤七所得的收敛后的热流密度q₂赋值给干涸型临界热流密度q_CHF并输出，得到燃料元件矩形窄缝通道内所求工况下的干涸型临界热流密度q_CHF。

2.根据权利要求1所述的一种获得燃料元件矩形窄缝通道内干涸型临界热流密度的方法，其特征在于：步骤六所述的汽相速度计算，采用亥姆霍兹界面不稳定性理论确定干涸型临界热流密度现象的发生，采用适用于燃料元件矩形窄缝通道的亥姆霍兹界面临界不稳定公式计算汽相速度；求解亥姆霍兹界面临界不稳定条件下的汽相速度的公式如下：

式中：

U_v，h——根据亥姆霍兹临界稳定条件获得的汽相速度/m·s^-1；

ρ_v——饱和汽相密度/kg·m^-3；

w——矩形窄缝通道流通截面长/m；

δ——环状流液膜厚度/m。