加热上升混合对流传热实验研究

在加热上升混合对流中,浮升力的存在显著改变了速度分布和切压力分布,使边界层趋于层流化和充分发展湍流起始点的延后,并使传热系数表现出由弱化、恢复再强化的过程。本研究在中压下不同直径的竖直加热圆管上进行了纯蒸汽的强迫对流传热实验,也在超临界压力下不同直径的加热圆管上进行水的强迫对流和自然循环传热实验。研究表明:随着浮升力参数的增大,传热逐渐弱化;在浮升力参数达到一定值时传热系数达到最小值,随后逐渐恢复,并最终出现强化。在实验数据基础上提出了加热上升混合对流的传热关系式。     

超临界压力下竖直圆管内不同流体的传热特性

为了深入认识超临界压力下不同流体传热中的共性反映出的传热机理及物性导致的特性差异,以水和氟利昂R134a为工质分别在SWAMUP回路和SMOTH回路上开展了竖直圆管内上升流传热试验。在正常传热、传热强化、小质量流速时浮升力导致传热恶化和大质量流速时加速效应导致传热恶化的工况中,氟利昂和水的换热系数（HTC）随无量纲温度表现出一致的变化规律。浮升力无量纲数_πB增大,换热系数与经典关系式计算值之比减小;加速效应无量纲数_πA较小时,换热系数比随_πA的增大而增大,达到峰值后换热系数比随_πA的增大而减小。_πB对超临界水试验数据的相关性更佳,而_πA对超临界氟利昂试验数据的相关性更好。无量纲数表征的超临界压力下传热规律的高度相似性初步验证了以模化流体氟利昂R134a研究超临界水传热特性是合理可行的。     

环形燃料元件内冷却剂流动换热特性的数值研究

相较于传统棒束燃料元件，内外双冷却通道的环形燃料元件具有堆芯功率密度高同时燃料温度低的优点，研究其热工水力特性具有重要意义。本文采用计算流体动力学(CFD)方法对内外冷却的环形燃料元件内外冷却流道的流动沸腾进行数值模拟，根据模拟结果对内外冷却流道的温度场、二次流速度及换热系数等参数进行分析。结果表明：最大二次流速度出现在燃料棒近壁面处；环形燃料元件外流道温度场分布呈现间隙处温度高，各子通道温度低的分布趋势；固体燃料棒表面温度在轴向同一位置处，沿周向以90°为周期变化；换热系数呈现规律性波动，单棒的不同周向角度换热系数存在较大差异，沿周向以90°为周期变化，周向角度为45°、135°、225°和315°位置处均出现温度极大值。本文结果可为环形燃料元件工程应用提供理论参考。     

B30波槽管水平管外蒸汽凝结换热的实验研究

在常压条件下对水平波槽管管外凝结换热及流阻特性进行了实验研究实验结果表明．波槽管具有良好的强化传热效果在实验参数范围内．波槽管的总传热系数比光管提高48％以上,通过对实验数据的回归分析．得到了管内对流换热、管外凝结换热及阻力系数的实验关联式。     

斜向三通管内射流混合特性的三维数值模拟

针对反应堆安全注射过程中的热冲击问题,应用基于有限差分的有限容积法和k-ε紊流模型,分别对支管倾角为30°60°、90°、120°和150°的倾斜三通管内的流动和换热进行三维数值模拟研究,得到了三通管内的流动结构、压力分布与温度分布.分析了三通管几何结构、流动条件和流体温度变化对三通管内的流动结构、温度分布及热应力的影响.结果表明,主流与支管射流的温度差、支管倾角对三通管内的热应力的影响较大,在三通管的迎流侧热应力表现更为明显.     

超临界压力CO2在垂直管内对流换热数值模拟

对于超临界压力CO2在垂直圆管(din=2 mm)内高进口雷诺数(Re=9 000)条件下向上流动时的对流换热进行了数值模拟.通过与实验数据进行对比来验证湍流模型的可靠性,并研究变物性和浮升力对壁面温度和湍动能的影响.结果表明:在热流密度较高的情况下,向上流动时出现了局部换热恶化和换热强化现象,这主要归因于浮升力对湍动能分布的影响;采用LB湍流模型能较好地模拟这种换热现象;在热流密度较低的情况下,未出现上述换热现象.     

大空间内底部弧形加热段自然对流传热特性研究

为准确预测安全壳上封头的自然对流换热特性以保证堆芯余热安全排出，设计了采用底部弧形加热段的矩形封腔自然对流装置，研究导热率对底部弧形加热段和封腔内流体温度分布的影响，并基于开源软件OpenFOAM，采用数值模拟方法对比分析2种湍流模型和3种湍流热通量模型的适用性。结果表明，流体沿弧形面的流动受边界层和绕流脱体强化现象的影响，局部自然对流换热强度从顶部向两端先减小后增大；材料热导率对弧形面的温度分布影响比较大，但对于加热段外的流体温度分布影响极小；经过对AFM模型进行修正，得到了更适用于实验条件的模型参数值，修正后的模型对流体速度场的模拟更为准确且在更高功率工况下也得到验证。本研究可为后续方案设计的有效性评价提供参考。      

竖直圆管内超临界流体混合对流传热特性理论分析

理论推导了变密度引起的浮升力效应和流动加速效应对超临界流体混合对流传热特性的影响。结果表明,浮升力效应和流动加速效应通过改变壁面边界层外缘的切应力影响湍流对传热传质的贡献,进而改变超临界流体混合对流传热特性。浮升力效应通常在加热区域入口及上游区域表现明显,而流动加速效应在主流区流体温度达到拟临界温度时更显著。与实验研究结果对比发现,新建立的浮升力因子和流动加速因子可较好地预测竖直圆管内超临界流体混合对流条件下拟临界区域的局部传热特性。     

管内超临界二氧化碳强迫对流传热浮升力效应数值研究

基于实验数据对管内超临界二氧化碳强迫对流传热中浮升力效应进行了数值研究。研究表明:较低质量流速和较高热流密度工况下,浮升力作用明显,进而引起流道径向和轴向速度重新分布,浮升力较强时甚至出现径向M形速度分布;当M形速度分布对应的零速度梯度点出现在粘性底层边缘时会明显弱化湍流的生成和扩散,引起传热恶化。基于实验工况的拓展计算表明:降低壁面热流密度、增大质量流速以及提高入口温度可以不同程度地缓解浮升力效应引起的传热恶化。     

水平管内含空气蒸汽强制对流冷凝换热模型研究

为研究含空气蒸汽在水平管内强制对流冷凝换热特性,基于对传热传质过程的分析,建立了管内为环状流与波状流条件下的流动冷凝换热模型。从潜热、显热和液膜3个环节对整个换热过程进行建模,最终得到计算局部冷凝换热系数的理论关系式。模型预测结果与实验数据的对比表明,二者相对偏差在±20%以内,验证了该换热模型的准确性与适用性。通过进一步的研究发现：从换热管入口至出口,随着冷凝的进行,管内换热主要热阻由液膜热阻向气液界面的凝结热阻转变;主流气体对流换热过程基本可忽略。     

10 mm垂直单管通道内超临界水传热弱化现象的实验与数值分析

超临界压力下的流体因拟临界点附近物性的剧烈变化,形成了非常奇特的传热现象。因流体密度突变,在低流量下会引起强烈的浮升力作用,对超临界流体的流动和传热均有极大影响。本工作通过实验获得10 mm单管内传热弱化现象的实验数据,并采用改进的低雷诺数湍流模型,使用数值方法模拟该传热弱化现象。计算结果表明,不同于以往传统的模型会高估壁面温度,改进的低雷诺数湍流模型能较好预测实验结果。数值模拟结果还揭示了浮升力对湍流剪切应力和速度分布的影响,进而引起传热弱化和传热恢复。     

几何参数对含空气蒸汽冷凝影响的数值分析

含空气蒸汽冷凝是反应堆失水事故时安全壳内重要的热工水力现象。已有研究多关注气体压力、温度等热工参数对传热特性的影响,而对几何参数的影响及其作用原理分析较少。采用三维CFD数值模拟方法,基于扩散边界层冷凝机理模型研究了管径(4~60 mm)、管长(0.1~7 m)及倾角(0°~90°)对含空气蒸汽冷凝传热特性的影响。结果表明,管径、管长及倾角均对含空气蒸汽冷凝传热特性有显著影响。平均冷凝传热系数随管径的增大而减小;随管长的增长先减小后增大,3 m左右达到最小值;随倾角的增大而增大。局部冷凝传热系数沿管长方向先迅速减小后缓慢增大。倾斜布置时,迎流面产生明显传热强化,向两侧逐渐减弱,背流面存在一定的传热抑制。     

转运通道中燃料组件自然对流传热特性试验研究

针对燃料组件滞留转运通道期间的自然循环传热过程开展了试验研究。获得了承载器顶角区域加热棒的试验数据，并拟合出传热经验关系式。计算结果与试验结果比较表明，该关系式能较好地计算顶角区域加热棒顶部局部努塞尔数Nu。并通过试验数据证实了在相同的燃料棒热流密度和承载器进口水温条件下，最靠近承载器顶角位置的1号棒的传热能力最差，壁温最高。     

Turbulent transports by secondary flow vortices in a rod bundle

Experimental data on secondary flow vortices in a rod bundle with pitch-to-diameter ratio show weak vortices with the average velocity magnitude only about 0.1% of the mean bulk velocity. The question then arises, how important these weak vortices could still be as a transport mechanism in turbulent flows. The transport of axial momentum by these vortices is analysed quantitatively. While a minor importance is observed for the transport in radial direction, it is found that about half of the total transport in circumferential direction is due to the secondary flow vortex convection. Based on the analogy between the transport of momentum and heat, it is expected in nonisothermal situations that, in radial direction, the contribution can improve the heat transfer coefficient and contribute to better economy of heat transfer installations. In circumferential direction, the contribution helps to smooth out circumferential temperature differences, improves the heat removal from heated surfaces and, through a decrease of the maximum surface temperature, it contributes to passive safety of heat transfer installations.     

超临界氢气在弯管中的流动换热计算

为探究超临界氢气流经喷管喉部时的流动换热特性，通过ANSYS FLUENT软件模拟超临界氢气在180°弯管中的流动换热现象，得到了氢气在弯管中的流场分布以及不同位置处的壁面温度分布。研究发现:由于离心力作用，管内氢气流动在弯管段向外侧径向偏移，产生了垂直于主流方向的二次流现象，使得内侧氢气流速低于外侧；由于弯管段的流量分布不均，导致弯管外侧换热得到强化，内侧则出现传热恶化现象。在本文研究工况下，弯管段出口附近的内侧壁面区域，壁面温度达到最高，传热恶化最为显著。      

铅铋快堆螺旋管直流蒸汽发生器热工水力特性数值研究

本研究以铅铋快堆螺旋管直流蒸汽发生器（HOTSG）设计结构为研究对象,采用精细网格与多孔介质相结合的物理建模方法,通过一次侧三维湍流计算与二次侧用户自定义函数（UDF）分区传热计算相耦合的手段,在FLUENT求解器中开展了蒸汽发生器的热工水力特性数值分析研究。研究表明:铅铋入口附近的流量分配孔和腔室对应的直管段区域出现铅铋流速峰值,径向最大速度为0.431 m/s;入口腔室至管束区位置受到阻力突变的影响,压力、横流速度、轴向速度变化较大;热工参数变化符合流动与传热机理,临界热流密度（CHF）点附近一二次侧温差最大为109.61 K,此处最大热流密度为323.55 kW/m2。该研究将为铅铋快堆HOTSG结构设计、流致振动及安全评价提供重要的参考。      

管径与倾角对管束外含空气蒸汽冷凝传热影响研究

通过对不同管径和倾角的3×3管束开展管外含空气蒸汽冷凝试验,研究了传热管管径和倾角影响管束外含空气蒸汽冷凝传热的基本规律。结果表明:管径和倾角的影响在不同压力范围内具有明显差异。在压力0.8 MPa以下,冷凝传热系数总体随管径和倾角的减小而增大,管径12 mm、0°倾角传热管的冷凝传热系数较管径19 mm、90°倾角的冷凝传热系数最大可增加29%。在压力0.8 MPa以上,冷凝传热系数随管径的减小而减小,最大可降低18%;随倾角的减小先减小后增大,在约60°倾角时,冷凝传热系数最小。      

Heat Transfer in a Fluid with Internal Heat Generation Flowing through a Vertical Tube

This paper deals with heat transfer in a fluid, with uniformly distributed internal heat source, flowing upwards through a vertical tube. Measurements were made of the temperature distribution in both laminar and turbulent flow, and both with and without heat transfer at wall. Heat generation within the fluid was brought about by passing an electrical current through the working fluid, which was an aqueous solution of sodium chloride. The experimental results were compared with analytical calculations.

Free convection, which occurs and is superimposed on the movement by forced convection, flattens the fluid temperature distribution in laminar flow through thermally insulated vertical tube. In turbulent flow with heat transfer to wall, the temperature distribution near the wall is affected considerably by the outgoing heat flux.     

壁面辐射对具有内置翅片的封闭腔内湍流自然对流传热特性影响

为研究有内置翅片的封闭腔内壁面发射率（ε）对腔内湍流自然对流传热特性的影响，采用RNG k-ε湍流模型对流体为空气、高宽比为1的封闭腔内的温度场、流场、壁面传热能力进行数值分析。结果表明:内置翅片与壁面辐射的综合效应使得竖向热边界层和速度边界层厚度均增大，腔体顶部及底部区域水平速度产生了一定波动。考虑壁面辐射时，双翅片结构对热壁面局部传热能力的影响趋势与单翅片结构类似；ε为0.3、0.6、0.9时，单翅片对热壁面平均努塞尔数（Nu）分别提高39.95%、88.55%和144.97%，双翅片对热壁面平均Nu分别提高41.09%、87.32%和141.23%；ε过大对双翅片结构的封闭腔内对流散热反而不利。      

竖直管束外含空气蒸汽冷凝传热特性数值分析

采用STAR-CCM+软件对管束条件下含空气蒸汽冷凝开展了数值模拟研究。主要考察了3×3管束、管间距为2倍管径条件下不同传热管的局部场分布和流动传热特性。结果表明，在管束条件下，各传热管附近的空气层发生了重叠，形成了高空气浓度区。这一方面促进了气体的自然对流，提高了对流传热能力；另一方面增加了空气层厚度，抑制了冷凝传热。在管束结构的影响下，管束区域的浓度、温度和速度梯度均较单管有明显的差异，导致各传热管的局部传热系数沿轴向降低了50%以上，周向传热系数最大相差1.88倍。其中，轴向传热性能主要受浓度边界层发展的影响，周向传热性能主要受相邻传热管的影响。通过分析表面平均传热系数发现，各传热管较单管最大降低了9.06%。