在 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)国际热核聚变实验堆中,来自等离子体的高热负荷影响着聚变堆偏滤器的安全性和可靠性,需排出偏滤器所受的高热负荷,目标是设计一种能够在偏滤器高温高压条件下工作的传热元件。本文选取水为冷却介质,采用数值模拟和实验研究相结合的方法,在非对称高温高热负荷条件下,对内插扭带管的过冷流动沸腾进行研究,分析流场的传热和流动特性,并将分析结果与内螺纹管和光滑圆管的结果相对比。(1)过冷流动沸腾传热和流动特性的数值模拟利用Fluent软件,对垂直向上内插扭带管、内螺纹管和光滑管进行管内流动过冷沸腾强化传热的对比模拟分析,采用欧拉多相流模型耦合非平衡沸腾模型的方法,进行网格独立性验证,对欧拉方程进行有限体积离散法求解。在不同热流密度条件下,模拟分析了光滑管的热传导区域、热力学干度、空泡份额和温度分布;对内插扭带管、光滑管和内螺纹管的液固交界面的壁温、流体的流线、固体组件的温度、压力降和空泡份额进行了模拟和对比分析;在不同扰动比和扭带宽度比条件下,分析了内插扭带管管内流动过冷沸腾强化传热和流动特性。研究结果如下:随着热流密度的增大,泡核沸腾起始点(ONB)和充分发展沸腾点(FDB)出现的越来越早。在本文的工况条件下,传热区域可由以下三部分组成:液体单相对流传热区、局部欠热沸腾区和充分发展欠热沸腾区。随着热流密度的增加,与最外层的钨块和中间层无氧铜管相比较,最内层铬锆铜管最先发生损坏;内插扭带管的扭带和内螺纹管内的螺旋翅片能诱导产生旋流,从而提高湍流强度,并推迟偏离核态沸腾(DNB)。扭带管混合整个流场产生旋流,内螺纹管内的螺旋翅片主要混合近壁面处的流场。综合考虑内螺纹管、内插扭带管和光滑管的传热和流动特性,内插扭带管的传热特性最好;随着扰动比的减小,内插扭带管的努塞尔数和摩擦因子逐渐增大。扰动比y=4时的强化传热因子最大。内插扭带宽度比的增大导致内插扭带管的努塞尔数和摩擦因子增大。内插扭带宽度比w=0.29时,管道的强化传热因子最大。(2)过冷流动沸腾传热和流动特性的实验研究介绍了管内流动过冷沸腾强化传热实验系统的组成、冷却管实验段的结构、参数测量方法及数据处理。在不同热流密度、不同质量流速等条件下,对内插扭带管和光滑管进行了管内流动过冷沸腾的实验研究,得到热流密度和质量流速对过冷沸腾两相流强化传热和流动特性的影响机理,比较内插扭带管与光滑管的管内流动过冷沸腾传热和流动特性。实验研究发现:在光滑管管内流动过冷沸腾中,有热进口效应的影响。随着热流密度和质量流速的增大,光滑管的强化传热特性提高。冷却管进出口压力降受热流密度的影响较小。将扰动比为4、6的内插扭带管与光滑管进行过冷沸腾比较分析,扰动比为4的内插扭带管的强化传热特性最好。(3)临界热流密度预测模型的评价介绍了临界热流密度实验数据的处理方法。利用传热和流动特性参数之间对应的实验数据,从临界热流发生机理角度出发,根据水冷偏滤器非对称高温高热负荷的应用场合,在不同干度和质量流速条件下,对临界热流密度进行了研究。研究结果如下:当干度减小或质量流速增大时,临界热流密度随之增大,并推迟了临界热流密度的出现。收集高温高压条件下的光滑管和内插扭带管的临界热流密度的实验数据源,并对CHF关联式进行预测和评估。临界热流密度经验关联式如下:Bowring公式、原全苏热工研究所采用的过冷沸腾临界热流密度关系式和修正的Tong-75公式。在这几种预测模型中,修正的Tong-75关联式(光滑管)预测性能最好。(4)热应力分析对偏滤器Monoblock的内插扭带管、内螺纹管和光滑管进行了热应力分析。与光滑管与内螺纹管相比较,内插扭带管上钨块和铬锆铜管的二次应力都最小;在内插扭带管中,钨块的三种二次应力均在3Sm许用应力范围内,铬锆铜管的三种二次应力均超过其3Sm许用范围,但是满足Bree-diagram准则。