超临界水冷堆类三角形子通道流动传热特性研究

基于类三角形子通道超临界水的传热试验,建立了超临界水冷堆三角形子通道物理模型。采用雷诺应力湍流模型SSG,在压力为23～28 MPa、质量流速为700～1300 kg/(m²•s)、热流密度为200～1000 kW/m²参数范围内,对棒径8 mm、栅距比为1.4的子通道内超临界水流动与传热特性进行了数值研究。分析了系统参数对流动和传热特性的影响,对比了不同焓区的二次流特性。结果表明：采用SSG模型对超临界水冷堆三角形子通道内流动传热的CFD模拟结果与试验数据较吻合。质量流速越高,传热能力越强;子通道换热系数峰值随压力的提高而减小;热负荷越高,内壁温度越高;在大比热容区换热系数峰值随热流密度的增大而明显减小,传热存在恶化趋势。超临界区子通道内在与主流垂直方向形成了明显的二次流,存在6个对称的漩涡,二次流速最大值出现在子通道窄缝区间隙。通道内不同焓区二次流结构相似,但二次流强度随焓的提高而增大。     

带定位格架的类三角形堆芯通道超临界水传热试验研究

针对带定位格架的超临界水冷堆堆芯垂直上升类三角形子通道,开展超临界水的流动传热试验研究。反应堆堆芯类三角形子通道棒束直径为8 mm、栅距比为1.4,试验参数范围为:热流密度q=200~600 kW/m2、压力P=23~28 MPa、质量流速G=700~1300 kg/(m2·s)。分析了热流密度、压力和质量流速等热工参数对超临界水传热特性的影响。试验结果表明:定位格架处质量流速升高,流体扰动性增强,换热系数提升显著;在超临界压力下,提高压力会导致内壁温度上升,换热系数峰值降低;过高的热流密度会导致换热系数峰值降低,适当减小热流密度可提高换热性能;提高质量流速会导致内壁温度降低,换热系数峰值上升,能够显著提高换热性能。压力变化对定位格架区域传热特性影响较小,适当提升压力可提高系统安全性。      

超临界水冷堆类三角形子通道传热不均匀性研究

基于类三角形堆芯子通道超临界水传热不均匀性试验,建立棒径为8 mm、栅距比为1.2~1.4的超临界水冷堆（SCWR）类三角形堆芯子通道物理模型,研究通道内超临界水传热不均匀性,分析超临界压力区子通道传热轴向与周向不均匀性。试验研究表明类三角形子通道轴向传热强度不均,沿轴向传热强度存在峰值区,大比热区传热强度大,而远离大比热区传热强度低;试验与数值模拟对比表明 (Spezlale, Sarkar and Gatski Model) 湍流模型可准确预测SCWR类三角形子通道超临界水传热特性;子通道周向传热严重不均,在垂直于主流方向横截面,流体和管壁之间的局部传热系数随着周向角的增大先升高后降低,其值在中心主流区处最大,在窄缝区位置最小,并且在不同的主流焓值区内周向传热不均程度不同;栅距比对子通道传热有影响,随着栅距比的增大,在整个主流焓值区内,平均壁温升高,换热系数降低,周向传热不均匀性显著减小。      

简单通道内超临界水传热特性实验研究

针对各国超临界水冷堆燃料组件设计方案,选取圆管、圆环形通道、方环形通道3种具有热工水力代表性的简单通道,开展超临界条件下水工质的传热特性实验研究。实验结果表明,热流密度、质量流速和压力3种热工参数对不同简单通道传热特性的影响趋势基本一致;在相同质量流速和压力下,换热系数在靠近拟临界温度处存在峰值,且随热流密度的增大而减小;在相同热流密度和压力下,相同主流体焓处对应的换热系数随着质量流速增加而增加;压力对超临界水传热特性影响较弱,仅在拟临界区域内换热系数峰值稍有不同;实验中出现了拟临界区域的传热恶化现象,传热恶化发生时壁温出现局部峰值。     

超临界水冷堆类四边形子通道亚临界水的传热试验研究

在压力为11~19 MPa,质量流速为700~1300 kg/(m2·s),热流密度为200~600 k W/m2的工况范围内,对超临界水冷堆(SCWR)堆芯棒直径为8 mm,栅距比为1.2的类四边形子通道的传热特性进行试验研究。结果表明:热流密度对类四边形子通道管管内的传热特性的影响显著,热流密度越高,传热恶化越容易发生;在较低的质量流速下,传热恶化发生可能性较大,质量流速较高时,对传热特性影响较小;压力对类四边形管管内传热特性的影响明显,压力越高,传热恶化现象越易发生,且临界干度值越低,传热恶化所覆盖的焓值区域越大。     

带螺旋肋片方环形通道内超临界水传热特性实验研究

开展带螺旋肋片方环形通道内超临界水传热特性实验,获得不同热工参数条件下的实验数据。实验工况范围为:压力23~25 MPa;质量流速600~1000 kg/(m2·s);热流密度300~800 k W/m2;螺距160 mm。基于实验数据研究压力、质量流速、热流密度对传热特性的影响。与光滑方环形通道内的实验数据对比发现:在相同热工参数条件下,带肋片方环形通道内换热系数比光滑方环形通道高,螺旋肋片对超临界水条件下的传热有较大的改善作用。对实验数据进行多元线性回归得到带螺旋肋片方环形通道内超临界水传热经验关系式。     

垂直上升光管内超临界水的传热特性试验研究

在压力22.5～30 MPa、质量流速1009-1626 kg(m2-s)、内壁热流密度216-822 kW/m2的试验参数范围内,对均匀加热垂直上升光管内超临界压力水的传热特性进行了系统的试验研究,得到了不同工况下垂直上升光管内超临界水的传热特性,分析了压力、内壁热负荷和质量流速变化对光管内壁温度及换热系数的影响,并...     

类三角形堆芯子通道超临界水传热试验研究

针对超临界水冷堆(SCWR)堆芯垂直上升类三角形子通道,开展超临界水的流动传热试验研究。反应堆堆芯类三角形子通道棒束直径为8 mm、栅距比为1.4。试验参数范围为:热流密度q=200~800 kW/m~2、压力P=23~28 MPa、质量流速G=700~1 300 kg/(m~2×s)。分析了q、P和G等热工参数对超临界水传热特性的影响。试验结果表明:超临界压力下,壁面温度T_w随q和P的增加而升高,传热系数峰值降低;提高G能够强化超临界水的传热,G增加,T_w降低,传热系数增大;当G增大到一定的程度,改变G对传热起到强化作用的效果不如在低G下显著;当q达到800 kW/m~2时,在大比热区,T_w随焓值变化剧烈,传热系数峰值不明显;当P提高到28 MPa时,大比热区的强化传热作用被削弱。     

竖直圆管内超临界压力氟利昂传热试验研究

深入研究超临界压力下流体特殊的对流传热特性,对超临界水冷反应堆的堆芯设计至关重要。在上海交通大学SMOTH氟利昂回路上开展了压力4.3~4.7 MPa、质量流速600~2 500kg/(m2·s)、热流密度20~180kW/m2参数下的圆管内超临界上升流传热试验。远离拟临界温度区间内换热系数和Dittus-Boelter公式计算值很接近,热流密度越大,近拟临界区换热系数越小,小质量流速大热流密度下,发生显著传热恶化。加速效应无量纲数和浮升力无量纲数对传热特性显示了强烈的相关性。提出了氟利昂工质传热试验的传热恶化起始点关系式。Bishop关系式计算换热系数和试验值之间标准差很小,但整体略偏大;Jackson关系式计算值和试验值之间平均偏差很小,但标准差偏大。     

含绕丝2×2棒束内超临界水传热试验研究

以超临界水冷堆燃料性能验证试验为背景,对带有螺旋绕丝的2×2棒束内超临界水的传热特性进行了试验研究。试验参数范围为：压力23～28 MPa,质量流速400～1 000 kg/(m²•s),壁面热流密度200～1 000 kW/m²。通过试验,获得了加热管周向壁温的分布规律,并分析了热流密度、质量流速、压力、螺旋绕丝对壁温和换热系数的影响。研究结果表明,加热管周向壁温呈现非均匀、非对称分布的特性,最高壁温出现在边角子通道或螺旋绕丝覆盖的位置。在拟临界区,换热系数随热流密度的升高或质量流速的降低而迅速减小,而随压力的变化较微弱。相对于光滑2×2棒束,螺旋绕丝不仅改变了周向壁温分布规律,同时也提高了平均换热系数。     

超临界CO2在螺旋管中的流动换热特性研究

超临界蒸发器应用到核电中，可大幅提高机组的热效率。超临界压力流体的热物性在准临界温度附近变化非常剧烈，会对其流动和换热产生很大的影响。研究超临界压力流体在螺旋管内的流动和换热规律，有利于对超临界螺旋管蒸发器的设计。本文采用RNG k-ε和SST k-ω模型对超临界CO₂在螺旋管中的流动换热情况进行了数值模拟，发现SST k-ω模型模拟结果与实验结果符合得更好。基于此模型，分析了不同进口质量流速及不同热流密度对管壁温和换热系数的影响，发现随着质量流速的减小、热流密度的增加，峰值向远离h_pc的一侧偏移。最后讨论并分析了周向壁温和换热系数的分布情况，发现壁温在φ＝315°处最高，需在实验操作或实际运行中加以监控，以保障螺旋管蒸发器的安全运行。     

垂直管内超临界水传热实验研究

在宽广的实验范围内对直径10 mm垂直管内超临界水在不同工况下的传热特性进行了实验研究,分析了热流密度、质量流速及压力变化对内壁面温度及传热系数的影响规律。实验参数为：压力23、25、26 MPa,质量流速450~1 200 kg/（m²•s）,热流密度200~1 200 kW/m²。实验结果表明：随主流温度的升高,壁面温度逐渐上升,在拟临界点附近由于物性剧变存在传热强化现象;热流密度的增加以及质量流速的减小均会削弱传热强化现象,并导致传热恶化;压力的影响主要体现在传热恶化、强化的起始热流密度和起始主流温度的不同。     

棒束内超临界水传热实验研究

在中国广核集团有限公司和上海交通大学共建的超临界水多功能实验装置上,针对两种不同节径比(P/D)的棒束通道开展了超临界水流动传热实验,获得了传热实验数据,观测到了通道内棒束间明显的周向温度不均匀现象和定位格架导致的传热强化现象。通过对各种热工水力参数的实验研究,得出超临界水流动传热结论:随热流密度的增加,传热系数逐渐减小,棒束壁温周向不均匀程度逐渐增加;随质量流速的增加,传热系数逐渐增大,棒束壁温周向不均匀程度逐渐减小;随压力的逐渐升高,传热系数少许降低;随P/D的减小,棒束通道内的传热明显增强。     

2×2稠密棒束内超临界水的传热特性试验研究

在压力p=23～28 MPa、质量流速G=350～1 000 kg/(m²•s)、热流密度q=200～1000 kW/m²的试验参数范围内,对2×2棒束内超临界水的传热特性进行了试验研究。试验得到了加热管周向壁温分布规律,并就出现周向温度差异的原因进行了分析。此外,给出了压力、质量流速及热流密度等系统参数对平均传热特性的影响,分析了低质量流速下出现的传热恶化现象。试验结果表明：加热管周向壁温并不均匀,边角子通道壁温最高,中心子通道壁温最低,周向壁温的高低与横截面流通面积的不均匀性紧密相关。随着热流密度的提高或质量流速的降低,超临界水的传热受到抑制,当q/G增大到一定程度时,棒束内发生传热恶化。     

An investigation on heat transfer characteristics of different pressure steam-water in vertical upward tube

Within the range of pressure from 9 to 30 MPa, mass velocity from 600 to 1200 kg/(m² s), and heat flux at inner wall from 200 to 600 kW/m², experiments have been performed to investigate the heat transfer characteristics of steam-water two-phase flow in vertical upward tube. The outer diameter of the tube is 32 mm, and the wall thickness is 3 mm. Based on results, it was found that Dryout is the main mechanism of the heat transfer deterioration in the sub-critical pressure region. Near the critical pressure, when the heat transfer deterioration occurs, the steam quality of water is lower than that in the sub-critical pressure region, so that DNB is the main mechanism in this pressure region. At supercritical pressure, the heat transfer performance in circular channel is improved and enhanced. Heat transfer deterioration phenomenon is observed when the fluid bulk temperature approaches to the pseudo-critical value. Nusselt correlation of the forced-convection heat transfer in supercritical pressure region has been provided, which can be used to predict heat transfer coefficient of the vertical upward flow in tube.     

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。