矩形通道內(nèi)脈動(dòng)湍流流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

劉宇生，許 超,*，譚思超，胡 健，高璞珍

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心, 北京 100082；2. 哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

矩形通道內(nèi)脈動(dòng)湍流流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

劉宇生1，許 超1,*，譚思超2，胡 健1，高璞珍2

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心, 北京 100082；2. 哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

在流量脈動(dòng)條件下，本文對(duì)矩形通道內(nèi)的湍流流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)理論分析，得到了影響脈動(dòng)湍流的主要作用力和關(guān)鍵的無(wú)量綱數(shù)，分析了脈動(dòng)周期、相對(duì)振幅等因素對(duì)流量與壓降的相位差、壓降-流量曲線(xiàn)、時(shí)均摩阻系數(shù)的影響，并與穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的流動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于低頻脈動(dòng)湍流，壓降驅(qū)動(dòng)力、摩擦阻力和流體自身慣性力是影響流動(dòng)特性的主要作用力；脈動(dòng)湍流中，流量的變化滯后于壓降變化，存在相位差；由于流體的慣性作用，脈動(dòng)周期越小，流量脈動(dòng)的幅值越小；速度相對(duì)振幅增大并超過(guò)臨界值時(shí)，時(shí)均摩阻系數(shù)會(huì)顯著增大。

脈動(dòng)湍流; 矩形通道; 阻力特性; 熱工水力; 相似準(zhǔn)則

脈動(dòng)流是流量周期性波動(dòng)但時(shí)均流量不為零的一種流動(dòng)現(xiàn)象，屬于非穩(wěn)定流動(dòng)。脈動(dòng)流在核動(dòng)力系統(tǒng)廣泛存在：如采用非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)的核電廠，事故條件下在非能動(dòng)系統(tǒng)投入運(yùn)行的過(guò)程中，冷卻劑一直處于非穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)流量脈動(dòng)現(xiàn)象[1]；受海洋條件的影響，船舶核動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的冷卻劑也會(huì)出現(xiàn)周期性的流量脈動(dòng)[2]。Elsayed A.M[3]、M.A. Habib[4]、賈輝[5]、王暢[6]等人對(duì)圓管內(nèi)的脈動(dòng)流進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果表明：脈動(dòng)流的流動(dòng)換熱特性與穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的流動(dòng)換熱特性存在顯著差異，脈動(dòng)流瞬態(tài)流動(dòng)換熱過(guò)程的研究對(duì)核動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和核安全評(píng)價(jià)具有重要意義。

近年來(lái)，核動(dòng)力系統(tǒng)日漸向小型化、模塊化方向發(fā)展[7-9]，矩形流動(dòng)通道由于換熱面積大且結(jié)構(gòu)緊湊，已在研究堆中得到了應(yīng)用[10]。由于幾何結(jié)構(gòu)特殊，研究人員對(duì)矩形通道內(nèi)的流場(chǎng)分布、阻力特性、換熱特性進(jìn)行了大量研究[11-15]，但所得結(jié)果都是針對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)矩形通道內(nèi)的脈動(dòng)流動(dòng)則研究很少，無(wú)法為事故條件下核動(dòng)力系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)程的安全分析提供充分的試驗(yàn)結(jié)果，因此有必要開(kāi)展這方面的研究，為非穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的熱工水力設(shè)計(jì)和安全分析提供依據(jù)和參考。

本文使用試驗(yàn)手段研究了脈動(dòng)湍流狀態(tài)下矩形通道內(nèi)的流動(dòng)阻力特性，通過(guò)對(duì)比分析，獲得了脈動(dòng)周期、脈動(dòng)相對(duì)振幅等參數(shù)對(duì)流動(dòng)特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及驗(yàn)證

在本研究中，對(duì)矩形通道內(nèi)的脈動(dòng)湍流進(jìn)行了簡(jiǎn)化，認(rèn)為流體的脈動(dòng)速度隨時(shí)間呈正弦波動(dòng)變化，脈動(dòng)速度u可寫(xiě)為：

(1)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)回路簡(jiǎn)圖和試驗(yàn)段如圖1、圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，水箱中的流體在循環(huán)水泵作用下依次流經(jīng)循環(huán)回路中的控制閥組、流量計(jì)和試驗(yàn)段，最終回到水箱完成循環(huán)。回路中的循環(huán)水泵由變頻器控制，通過(guò)變頻器控制泵的轉(zhuǎn)數(shù)，使回路流體產(chǎn)生流量脈動(dòng)。流體的溫度、流量和壓降分別由溫度計(jì)、電磁流量計(jì)和電容式壓差傳感器測(cè)量獲得。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

圖2 實(shí)驗(yàn)段簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of test section

本實(shí)驗(yàn)中使用的試驗(yàn)段為內(nèi)壁光滑的窄矩形通道，通道的截面尺寸為40.38 mm×3.1 mm，試驗(yàn)段由透明的有機(jī)玻璃管加工而成。試驗(yàn)段布置有取壓孔，考慮到進(jìn)出口效應(yīng)的影響，取壓孔布置在了試驗(yàn)段上流動(dòng)充分發(fā)展的位置。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍及儀表精度

實(shí)驗(yàn)流體采用去離子水，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件和參數(shù)范圍如下：實(shí)驗(yàn)回路壓力為0.1 MPa，試驗(yàn)段壓降變化范圍為0-50 kPa，雷諾數(shù)Re為0-15000，流體溫度為14.0 ℃-15.0 ℃，脈動(dòng)周期為5 s-60 s。

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)范圍較大，包含了層流和湍流兩種流動(dòng)狀態(tài)，在測(cè)量?jī)x表上使用了測(cè)量范圍和精度等級(jí)不同的電磁流量計(jì)和電容式壓差傳感器，見(jiàn)表1。

表1 儀表測(cè)量范圍和精度等級(jí)Table 1 Measurement range and accuracy grade of instruments

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證

在進(jìn)行脈動(dòng)湍流實(shí)驗(yàn)之前，利用試驗(yàn)裝置對(duì)不同流量下矩形通道內(nèi)的穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)，得到相應(yīng)的l-Re關(guān)系，并與現(xiàn)有計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示。圖中層流區(qū)的理論值根據(jù)凱斯公式[16]計(jì)算得到，其公式為：

λRe=96(1-1.3553α+1.9467α2-1.7012α3+0.9564α4-0.2537α5)

(2)

式中：a為矩形通道橫截面寬高比，本試驗(yàn)段的寬高比為0.77，于是Re=87。

湍流區(qū)的對(duì)比值根據(jù)SADATOMI[17]和勃拉休斯[18]公式計(jì)算得到。對(duì)比實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值可知，二者符合良好，試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

圖3 穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析Fig.3 Analysis of test results under steady flow state

2 脈動(dòng)湍流過(guò)程理論分析

將公式(1)定義的脈動(dòng)速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到脈動(dòng)加速度的表達(dá)式為：

(3)

將兩端測(cè)壓截面內(nèi)的流體作為控制體，假設(shè)水平圓管長(zhǎng)為l，A為管道面積，τo為單位面積上摩擦力，Ph為控制體周界長(zhǎng)，則管道內(nèi)的微分方程為：

(4)

對(duì)微分方程積分后，可得控制體的積分守恒方程為：

(5)

利用穩(wěn)定流動(dòng)的參數(shù)值對(duì)上述方程進(jìn)行無(wú)量綱化，可得到：

(6)

其中：

(7)

(8)

τrs為居留時(shí)間，表征了流體質(zhì)點(diǎn)在控制體內(nèi)流過(guò)所需的時(shí)間。

ΠEu為歐拉數(shù)，是驅(qū)動(dòng)壓降與流體動(dòng)能的比值，表征了壓降作用力與流體慣性力的相對(duì)大小。此外，歐拉數(shù)還可寫(xiě)為：

(9)

方程(9)中，τp表征了驅(qū)動(dòng)壓降對(duì)流體作用的時(shí)間，即歐拉數(shù)表征了居留時(shí)間與壓降特征時(shí)間的相對(duì)大小。

ΠF為摩擦數(shù)，是沿程摩擦與流體動(dòng)能的比值，表征了摩擦力與流體慣性力的相對(duì)大小。此外，摩擦數(shù)還可寫(xiě)為：

(10)

方程(10)中，τf為摩擦力對(duì)流體作用的時(shí)間，即摩擦數(shù)表征了居留時(shí)間與摩擦力特征時(shí)間的相對(duì)大小。

ΠFr為Froude數(shù)，是加速度慣性力與流體動(dòng)能的比值，表征了加速慣性力與流體慣性力的相對(duì)大小。此外，F(xiàn)roude數(shù)可以表示為Womersley數(shù)與雷諾數(shù)的比值，體現(xiàn)了瞬態(tài)慣性力與對(duì)流慣性力的相對(duì)大小：

(11)

Froude數(shù)還可寫(xiě)為：

(12)

方程(12)中，τa表征了加速度對(duì)流體作用的時(shí)間，即Froude數(shù)體現(xiàn)了居留時(shí)間與加速度特征時(shí)間的相對(duì)大小。

上述無(wú)量綱值分別反映了驅(qū)動(dòng)壓力、摩擦阻力和加速度慣性力對(duì)流體作用時(shí)間與居留時(shí)間的相對(duì)大小，同時(shí)反映了三種作用與流體慣性力的相對(duì)大小，因此，無(wú)量綱數(shù)的數(shù)值表明了不同作用力的強(qiáng)弱和作用時(shí)間的長(zhǎng)短。根據(jù)方程(8)，計(jì)算典型試驗(yàn)工況的無(wú)量綱數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 典型試驗(yàn)工況無(wú)量綱數(shù)Table 2 Dimensionless numbers for typical test conditions

由表2可知：對(duì)于本試驗(yàn)研究的低頻脈動(dòng)工況，F(xiàn)roude數(shù)較小，歐拉數(shù)與摩擦數(shù)大小接近，因此壓降驅(qū)動(dòng)力和摩擦阻力是低頻脈動(dòng)湍流中的兩個(gè)主要作用力，而流體加速慣性力則可以忽略。又因壓降驅(qū)動(dòng)力由泵提供，屬于控制參數(shù)，所以反映摩擦阻力的摩擦壓降和摩阻系數(shù)是本文的研究重點(diǎn)。

3 脈動(dòng)湍流的相位差及壓降-流量曲線(xiàn)

3.1 流量與壓降的相位差

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的流體流量處于脈動(dòng)瞬態(tài)時(shí)，試驗(yàn)段內(nèi)流體的流量和壓降均隨時(shí)間呈周期性地變化，如圖4所示。可知，脈動(dòng)湍流的流量隨時(shí)間的變化滯后于壓降隨時(shí)間的變化，流量與壓降間存在明顯的相位差，這與矩形通道脈動(dòng)層流的研究結(jié)論一致[19]。

圖4 典型試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.4 Typical experimental phenomena

已有的研究表明，脈動(dòng)層流中流量與壓降的相位差主要受到脈動(dòng)周期的影響[19]。圖5中繪制了脈動(dòng)湍流工況下流量-壓降間相位差隨脈動(dòng)周期變化的曲線(xiàn)。可知，隨著脈動(dòng)周期的減小，相位差在0°-90°之間增加，當(dāng)脈動(dòng)周期超過(guò)60s時(shí)，相位差趨近于0°；當(dāng)脈動(dòng)周期小于10s時(shí)，相位差趨近于90°。圖5同時(shí)表明：不同壓降相對(duì)振幅對(duì)流量與壓降的相位差的影響規(guī)律不明顯，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)確定二者之間的關(guān)系。

圖5 不同壓降相對(duì)振幅下相位差隨周期的變化Fig.5 Changing curves of phase difference with pulsating period under different relative pressure drop amplitude conditions

3.2 不同脈動(dòng)周期下的壓降-流量曲線(xiàn)

在矩形通道內(nèi)的湍流脈動(dòng)流中，試驗(yàn)段的流量和壓降隨時(shí)間變化呈周期性脈動(dòng)，因此，需要對(duì)壓降、流量的實(shí)時(shí)變化情況進(jìn)行研究，即研究壓降-流量曲線(xiàn)。對(duì)脈動(dòng)層流的研究表明，脈動(dòng)過(guò)程中的速度幅值主要受壓降相對(duì)振幅和脈動(dòng)周期兩個(gè)因素的影響[20]。試驗(yàn)中保持壓降相對(duì)振幅不變，可得到不同脈動(dòng)周期下的壓降-流量曲線(xiàn)，如圖6所示，圖中箭頭標(biāo)示了單個(gè)周期內(nèi)流量脈動(dòng)的變化規(guī)律。可知，隨著脈動(dòng)周期的減小，流量與壓降的相位差不斷增大，二者的夾角沿逆時(shí)針?lè)较虿粩嘣龃螅瑢?dǎo)致環(huán)形曲線(xiàn)從傾斜的橢圓逐漸演變?yōu)樨Q直的圓形。

圖6中還繪出了穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的摩阻壓降，通過(guò)比較可知，當(dāng)出現(xiàn)流量脈動(dòng)時(shí)，在每個(gè)周期的過(guò)程中，流體在加速狀態(tài)下的摩阻壓降要高于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的摩阻壓降，而處于相同的減速狀態(tài)時(shí)，其摩阻壓降又低于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)摩阻壓降。在流量最小值和最大值附近，流量脈動(dòng)的摩擦壓降與穩(wěn)定流動(dòng)的摩擦壓降相等；結(jié)合圖4可知，每個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，在流量達(dá)到最小值和最大值時(shí)，流體的加速度為零，其余時(shí)間內(nèi)，流體一直處于加速流動(dòng)或減速流動(dòng)的狀態(tài)。

該現(xiàn)象表明瞬態(tài)過(guò)程中的流體阻力特性與穩(wěn)定狀態(tài)下阻力特性存在顯著不同。根據(jù)本文理論分析的結(jié)果，在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，摩擦力與壓降驅(qū)動(dòng)力相等，摩阻壓降體現(xiàn)了流體粘性導(dǎo)致的能量耗散，因流速不發(fā)生改變，流體的慣性力不會(huì)體現(xiàn)；而當(dāng)流速脈動(dòng)時(shí)，瞬態(tài)過(guò)程需要考慮壓降驅(qū)動(dòng)力、摩擦力與流體慣性力之間的相互作用，脈動(dòng)周期減小，流體加速度增大，都會(huì)使流體的慣性作用增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致流體微團(tuán)響應(yīng)驅(qū)動(dòng)壓降變化的時(shí)間增長(zhǎng)，即導(dǎo)致流量-壓降間相位差增加，最終壓降-流量環(huán)形曲線(xiàn)的形狀也會(huì)接近圓形。

從流量變化的幅值來(lái)看，脈動(dòng)周期的減小，脈動(dòng)幅值也會(huì)減小，對(duì)于脈動(dòng)周期為5 s的工況，這種現(xiàn)象最為明顯。這是因?yàn)殡S著脈動(dòng)周期變小，瞬態(tài)變化中流體體現(xiàn)出的慣性會(huì)加強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致流量對(duì)壓降梯度的響應(yīng)出現(xiàn)延遲和滯后；當(dāng)該延遲時(shí)間接近或小于脈動(dòng)周期后，流量的慣性作用進(jìn)一步變大，流量對(duì)壓降梯度的響應(yīng)更加緩慢，最終導(dǎo)致流量能達(dá)到的幅值很低，只能在時(shí)均值附近小幅脈動(dòng)。

圖6 不同周期下的壓降-流量曲線(xiàn)Fig.6 Curves of pressure drop-flow rate with different pulsating periods

綜合圖5與圖6可知：脈動(dòng)紊流中，流量-壓降間相位差對(duì)壓降-流量曲線(xiàn)的形狀變化具有重要影響，在小于10s的脈動(dòng)周期下，流量與壓降之間的相位差接近90°，壓降-流量曲線(xiàn)的形狀接近圓形；在大于60s的當(dāng)脈動(dòng)周期下，流量-壓降間相位差接近0°，壓降-流量曲線(xiàn)的形狀為扁長(zhǎng)形，與穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下壓降-流量曲線(xiàn)接近。

4 脈動(dòng)湍流的時(shí)均摩阻系數(shù)分析

對(duì)圓管內(nèi)脈動(dòng)流研究表明，脈動(dòng)流的摩阻系數(shù)可采用周期平均的方法來(lái)進(jìn)行研究，其主要的影響因素有：雷諾數(shù)，脈動(dòng)周期和速度相對(duì)振幅[21]。

圖7為不同脈動(dòng)周期條件下，時(shí)均摩阻系數(shù)隨時(shí)均雷諾數(shù)變化曲線(xiàn)。可知，隨著時(shí)均雷諾數(shù)的增加，時(shí)均摩阻系數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)，該變化規(guī)律與穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下l-Re曲線(xiàn)的變化規(guī)律相同。這是因?yàn)槊}動(dòng)湍流中時(shí)均雷諾數(shù)與壁面邊界層厚度緊密相關(guān)，時(shí)均雷諾數(shù)增大，壁面邊界層厚度減薄，壁面邊界層內(nèi)的速度梯度也會(huì)改變，進(jìn)而使得摩阻系數(shù)發(fā)生變化。圖7中還匯出了勃拉休斯公式和SADATOMI公式的計(jì)算值，可知脈動(dòng)湍流時(shí)均摩阻系數(shù)與穩(wěn)定流動(dòng)變化趨勢(shì)一致，這表明可采用勃拉休斯公式的形式對(duì)其進(jìn)行公式擬合。

圖7 時(shí)均摩阻系數(shù)隨時(shí)均雷諾數(shù)的變化Fig.7 Variation of period-averaged friction coefficient with period-averaged Reynolds number

圖8為不同脈動(dòng)周期工況下時(shí)均摩阻系數(shù)隨速度相對(duì)振幅變化的曲線(xiàn)，可知速度相對(duì)振幅增加，時(shí)均摩阻系數(shù)會(huì)隨之增大。

圖8 不同工況下的時(shí)均摩阻系數(shù)Fig.8 The period-averaged friction coefficient under different cases

與穩(wěn)定流動(dòng)的時(shí)均摩阻系數(shù)比較后可知，不同脈動(dòng)周期下，均存在一個(gè)速度相對(duì)振幅臨界值，小于該值的情況下，流量脈動(dòng)現(xiàn)象對(duì)時(shí)均摩阻系數(shù)的影響較為微弱，時(shí)均摩阻系數(shù)與穩(wěn)定流動(dòng)摩阻系數(shù)差別較小；大于該速度相對(duì)振幅值后，流量脈動(dòng)現(xiàn)象的影響變得顯著，隨著脈動(dòng)流速度變化劇烈程度的增加，時(shí)均摩阻系數(shù)迅速增大，與穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的摩阻系數(shù)存在明顯不同。此外，脈動(dòng)周期變短，速度相對(duì)振幅的臨界值會(huì)變小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)：速度相對(duì)振幅增大，表示流體速度變化的幅值增加，在近壁區(qū)邊界層內(nèi)，流體微層之間的速度梯度也會(huì)隨之增大，微觀上體現(xiàn)為流體微層間的摩擦切應(yīng)力增加，宏觀上體現(xiàn)為時(shí)均摩阻系數(shù)增大；脈動(dòng)周期變短，會(huì)加劇流體微團(tuán)之間的橫向擾動(dòng)，導(dǎo)致湍流切應(yīng)力增大，摩阻壓降增加，時(shí)均摩阻系數(shù)增大。

結(jié)合圖7和圖8的曲線(xiàn)特點(diǎn)，通過(guò)雷諾數(shù)、無(wú)量綱周期數(shù)[22]w′和速度相對(duì)振幅三個(gè)參數(shù)擬合得到矩形通道脈動(dòng)湍流條件下時(shí)均摩阻系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，如式(13)所示：

(13)

式中，C和t為系數(shù)，與無(wú)量綱周期有關(guān)，lst為對(duì)應(yīng)穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的摩阻系數(shù)，可通過(guò)時(shí)均雷諾數(shù)計(jì)算得到。式(14)、(15)、(16)分別給出了C、t、lst的計(jì)算方法。

(14)

(15)

λst=0.23Re-0.23

(16)

圖8為本文所擬合的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比的結(jié)果，可知預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值符合良好，二者的偏差在±5%以?xún)?nèi)，可滿(mǎn)足非穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下熱工水力設(shè)計(jì)和安全分析預(yù)測(cè)計(jì)算的精度要求。

圖9 擬合公式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.9 Performance of correlation for predicting the magnitude of friction coefficient

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)矩形通道內(nèi)脈動(dòng)湍流的流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，本文得到如下結(jié)論：

(1)矩形通道內(nèi)的湍流出現(xiàn)流量脈動(dòng)時(shí)，流量隨時(shí)間的變化滯后于壓降隨時(shí)間的變化，二者之間存在明顯的相位差；當(dāng)脈動(dòng)周期減小時(shí)，該相位差增大，脈動(dòng)周期超過(guò)60 s時(shí)，相位差趨近于0°，周期小于10 s時(shí)，相位差趨近于90°。

(2)影響流量脈動(dòng)的主要作用力為壓降驅(qū)動(dòng)力、摩擦力和流體慣性力。流體慣性導(dǎo)致的相位差是壓降-流量環(huán)形曲線(xiàn)呈現(xiàn)橢圓形和圓形等不同形態(tài)的主要原因；隨著脈動(dòng)周期的減小，脈動(dòng)速度變化的幅值減小。

(3)速度相對(duì)振幅對(duì)時(shí)均摩阻系數(shù)的影響存在臨界值現(xiàn)象，當(dāng)流量脈動(dòng)小于速度相對(duì)振幅臨界值時(shí)，流量脈動(dòng)與穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的摩阻系數(shù)相接近；當(dāng)大于該臨界值時(shí)，時(shí)均摩阻系數(shù)迅速增加，與穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的摩阻系數(shù)明顯不同。時(shí)均摩阻系數(shù)擬合關(guān)系式預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。

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ExperimentalStudyonFlowCharacteristicsofPulsatingTurbulentFlowinRectangularChannel

LIU Yusheng1, XU Chao1，*, TAN Sichao2, HU Jian1，GAO Puzhen2

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China；2.Key Discipline Laboratory of Nuclear Safety and Simulation Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Characteristics of pulsating turbulent flow in a rectangular channel were investigated experimentally. The dimensionless numbers for acting force in pulsating turbulent flow are obtained by theoretical analysis. The effects of pulsating period and relative amplitude on flow field in rectangular channel were analyzed. Characteristics of pulsating turbulent flow were compared with that of steady flow. The results show that pressure driving force, friction force and inertial force are the main acting forces affecting flow characteristics of low-frequency pulsating flow. Flow rate change lags behind the variation in pressure drop, a phase difference exists. When pulsating period becomes small, the pulsating amplitude of flow rate will decrease as the inertia of fluid. Besides, the period-averaged friction coefficient will increase rapidly when relative velocity amplitude exceeds the critical value.

pulsating turbulent flow; rectangular channel; resistance characteristic; thermal hydraulics; similarity criteria

TL334

：A

1672- 5360(2017)02- 0056- 07

2016- 12- 27

2017- 01- 30

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào)：2015ZX06002007

劉宇生(1986—)，男，河北唐山人，工程師，碩士，核能科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工水力領(lǐng)域的研究工作