中国实验快堆空气热交换器热工流体力学研究

事故余热排放系统（DHRS）是CEFR的重要系统，其设计原理是依靠自然对流和自然循环导出事故停堆后的余热。空气热交换器是事故余热排放系统的重要设备，堆芯事故余热最终要通过该设备排入到空气中，空气热交换器的换热情况直接关系到DHRS的自然循环效果和排热能力，从而关系到反应堆的安全。因此，对空气热交换器的热工流体力学特性进行研究是十分必要的。     

针翅管传热与压降特性研究

以润滑油为换热介质,对整体针翅管传热与阻力特性进行了理论分析与试验研究,研究结果可为针翅管的优化设计提供参考。在换热介质纵向冲刷换热管的条件下,对不同针翅长度的3种整体针翅管与光管进行了传热与阻力试验。结果表明：整体针翅管对润滑油换热具有很好的强化能力,在本试验范围内,整体针翅管对油流体扰动强烈,换热强度是同条件下光管的2~6倍;针翅长度是影响针翅管压降的主要因素,在雷诺数达300时,压降曲线出现转折。     

快堆钠-钠热交换器换热管材料缺口敏感性分析

正快堆钠-钠热交换器换热管在运输、安装及设备运行过程中,表面划伤、振动磨损会使表面产生微裂纹或缺口,从而产生应力集中降低材料强度,影响设备安全性与可靠性。本文对钠-钠热交换器换热管材料316H进行了室温与高温下的缺口拉伸试验,并对其缺口敏感性结果进行了评价与分析。缺口敏感系数(NSR)通常以缺口试样的抗拉强度(S_(bn))与光滑试样的抗拉强度(S_b)的比值来表征。NSR大于或等于1时,材料无缺口敏感性;     

铅铋反应堆新型双层换热管式主热交换器设计与优化分析

双层换热管的设计可以有效降低换热管破裂事故的发生概率,但管间接触热阻会导致换热管传热效率降低,不利于铅铋反应堆一回路系统热量的顺利导出,因此需要优化双层换热管的设计。本文以铅铋反应堆双层换热管式主热交换器为研究对象,提出在双层换热管间隙中填充镓基石墨烯纳米流体作为热界面材料,分析换热管长度、壁厚、外径和间距对传热性能的影响规律,并与未填充热界面材料的双层换热管式主热交换器传热性能进行对比分析;分别以JF因子和成本效率比（Cost-effectiveness Ratio,CER）为优化目标,以上述4种参数为优化变量,采用遗传算法对主换热器传热性能进行优化和综合评估,得到一种铅铋反应堆新型双层换热管式主热交换器设计方案。优化后的主换热器总传热系数增加5.79%,一回路压降提升2.32%,JF因子提升5%,CER因子提升24.62%。结果表明：在双层换热管间隙中填充镓基石墨烯纳米流体可以在降低蒸汽发生器管破裂事故概率的前提下,有效提高双层管换交换器的传热性能。     

非能动余热排出热交换器流动和传热数值模拟

非能动余热排除系统(Passive Residual Heat Removal system,PRHR)是非能动核电厂的重要安全设施,在全厂断电事故下,大部分的堆芯衰变热是通过PRHR热交换器传递至内置换料水箱(In-containment Refueling Water Storage Tank,IRWST)。但PRHR热交换器属于大型非稳态换热器,其传热机理十分复杂。基于PRHR系统的重要性和复杂性,有必要研究PRHR系统的流动和传热特性。利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件针对非能动堆芯冷却系统试验装置中的PRHR系统进行建模计算,分析了PRHR热交换器及IRWST的流动和传热特性,发现IRWST内部沿垂直高度上呈现明显的温度分层现象,温度沿水平方向的分布趋于均匀;IRWST内部的流动主要是沿着C型传热管竖直段向上流动,流速逐渐增大,但在两相阶段,水箱上部区域流动明显增强;C型传热管上部水平段和竖直段上部区域的换热系数要明显高于其它区域,且在上部水平段与竖直段连接弯管处换热系数最大,在两相阶段,上部区域的换热系数明显增大。     

中国实验快堆空气热交换器热工流体力学研究

针对中国实验快堆事故余热排放系统空气热交换器的国内外研究现状,结合中国实验快堆工程建设的需要,建立了空气热交换器的数学模型,对其在自然循环条件下的热工流体力学特性进行了分析研究.     

翅片管熔盐对流传热特性研究

高温熔盐在熔盐堆和太阳能等能源领域有广泛的应用前景。为研究熔盐在强化换热管中的强化传热效果,本文基于三元硝酸盐KNO_3-NaNO_2-NaNO_3(摩尔分数比为53%-40%-7%)与导热油的对流传热实验装置,根据相似理论使用导热油代替熔盐,对翅片换热管湍流区的对流传热特性开展了测量,流体雷诺数(Re)变化范围10 000-60 000。通过威尔逊分离法获得翅片管中湍流区的对流传热系数(ho)和努赛尔数(Nu),基于实验数据与Dittus-Boelter公式,拟合翅片管湍流区的对流传热关联式,实验数据与拟合公式的误差在-7.1%-7.5%之间。与传统对流传热关联式Dittus-Boelter公式对比进行强化传热效果评估,结果表明,翅片管的强化传热效果为光滑管的2.32-3.63倍。     

空间弯管管束固有频率及附加质量系数计算

在工程设计过程中,合理确定中间热交换器内空间弯管的固有频率和附加质量系数,对于该设备的安全稳定运行至关重要。本文旨在通过有限元方法计算中间换热器同心圆排布的管束在空气和液钠环境中的固有频率及附加质量系数。将管束分为3个典型区域,选取6个位置建立换热管和流体域的三维模型,计算换热管的固有频率和附加质量系数。结果表明,换热管在空气中的固有频率受空间弯管的弯曲半径影响较小,附加质量系数受空间弯管的弯曲半径和所处区域位置影响较大,近似三角形排布区域的管束固有频率最低,该区域内层换热管的附加质量系数最大。      

非能动余热排出热交换器半液位换热性能研究

非能动余热排出热交换器（PRHR HX）是先进反应堆非能动堆芯余热排出系统的关键设备之一,置于内置换料水箱中。水箱内水蒸发或水箱泄漏等故障失水后液位降低,PRHR HX与管外水传热面积和管外流场均发生变化,导致堆芯非能动余热排出能力下降。为分析半液位下PRHR HX换热性能,建立半液位PRHR HX实验装置和数值计算模型,获得稳态和瞬态升温过程的换热量、温度分布和流场特性。实验结果表明,稳态沸腾换热阶段半液位结构的总换热量较全液位时的下降12%～22%,仍具有较强的换热能力。瞬态升温过程中管外换热模式从纯单相对流换热开始,先后逐渐出现局部过冷沸腾和局部饱和沸腾,并最终迅速由局部饱和沸腾转变为全管长饱和沸腾。水箱内逐渐升温过程中出现显著的热分层现象,结合数值模拟分析发现此时管外流体在高度上呈现多层回流流动结构。     

带定位格架的类三角形子通道内超临界水流动传热数值研究

针对超临界反应堆类三角形子通道的传热和流动特性,数值研究了不同栅距比定位格架作用下子通道内超临界水的流动传热特性、二次流及流动阻力特性。研究结果表明:定位格架对子通道内超临界水的换热影响显著;不同栅距比下的壁面温度、换热系数的轴向分布都具有相同的趋势,定位格架附近壁面温度下降,换热系数上升;定位格架下游壁面温度分布不均匀,且不均匀程度随栅距比减小而更加明显;定位格架下游截面形成四个对称旋涡,栅距比较小时,二次流强度较大;不同栅距比堆芯子通道流动阻塞率不同,流动阻力随栅距比减小而增大。     

Experimental Study on Heat Transfer and Resistance Characteristics for Finned Tube of Fast Reactor Sodium-air Heat Exchanger

Sodium-air heat exchanger is one of the important equipment in the decay heat removal system of sodium-cooled fast reactor, which together with the external environment constitutes the final heat trap for the residual heat of a reactor. Due to the vertically arranged finned tube structure adopted by the heat exchanger tubes of the sodium-air heat exchanger and the difference of the flow direction and velocity of the air at the different positions, the heat transfer and resistance characteristics are very different from of traditional finned tube heat exchanger. In this paper, based on the engineering design requirements of sodium-air heat exchanger, two kinds of experimental specimens were designed to study the heat transfer and flow resistance characteristics of finned tube bundles with air flow angles of 90° and 30°. The experimental results show that the heat transfer and resistance coefficients of the same finned tube with air flow angles of 90° are significantly greater than those of the finned tube with air flow angles of 30°. For the same air flow direction, the second finned tube has the largest heat transfer coefficient. The research provides a theoretical basis for the design and optimization of sodium-air heat exchanger.     

Flow and Heat Transfer Characteristics of Swordfish Fin Microchannel

The supercritical carbon dioxide Brayton cycle is a new generation of thermal cycle used in the fourth generation of nuclear energy. As a high or low temperature recuperator of supercritical carbon dioxide Brayton cycle, the thermal hydraulic characteristics of the compact microchannel heat exchanger directly affect the power cycle efficiency. Reducing flow resistance of the temperature recuperator while maintaining high heat transfer efficiency is an important research for microchannel heat exchanger optimization design. The swordfish fin microchannel design considering bionics theory can significantly reduce the flow resistance. In this work, the swordfish fin heat exchanger model was established with supercritical carbon dioxide fluid as the flow medium. The effect of swordfish fin design with different arrangements on heat transfer characteristics was analyzed by three-dimensional numerical simulation. At the same time, the thermal hydraulic characteristics of swordfish fin design were compared with those of traditional commercial Z-shaped microchannel heat exchanger. The results show that under the same Reynolds number, the Nusselt number of the swordfish fin microchannel is twice as much as that of the Z-shaped microchannel, but the pressure drop is only half of that. Therefore, the thermal hydraulic performance of swordfish fin microchannel heat exchanger is obviously better than that of Z-shaped heat exchanger. It is obtained from optimization analysis that the optimal pitches for swordfish fin design is that the L_a＝8 mm along the flow direction, and the L_b＝6 mm perpendicular to the flow direction.     

螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力特性实验

实验研究了三维内肋螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力性能。单相对流换热实验采用光滑螺旋管和两种不同结构尺寸的三维内肋螺旋管。与光滑螺旋管相比,在测试的流动范围内．两种三维内肋管的平均换热系数增加了71％和103％．平均阻力增加了90％和140％;曲率δ=0．0605、测试段长0．58m的三维内微肋螺旋管内流动沸腾换热实验结果表明：在不同质量流速、热流密度工况下,三维内微肋螺旋管的平均换热系数比光滑螺旋管增加40％到120％．阻力增加18％到119％。     

波浪管内流场与传热及阻力特性数值模拟

参照波浪管单管换热的实验数据,选用Fluent软件中的不同湍流模型和壁面处理方法,对波浪管换热器的换热系数和压降进行计算,通过比较计算结果,确定可用于波浪管内流动传热特性模拟的计算方法。在此基础上,进一步分析流体在波浪管内部的流场结构和传热特性。分析结果表明：RNG k-ε模型配合增强壁面处理方法得到的计算结果与实验值最为接近;与直管相比,波浪管的换热系数和阻力系数的增加幅度在低Re下较大,而在高Re下较小,其中换热系数和阻力系数增加幅度最大的位置均出现在各弧段交接处,即曲率反向的位置。计算结果可为强化传热管设计及其优化提供支撑。     

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。     

欠热条件下非能动余热排出热交换器传热试验数值模拟

针对大型先进压水堆非能动余热排出热交换器设计和安全分析计算模型存在的重要缺陷,以AP1000的非能动余热排出热交换器为原型,采用3根C型管进行了非能动余热排出热交换器传热试验。然后采用流体计算软件对欠热试验工况进行了数值模拟,通过多次计算得到了传热管外传热计算可采用的传热关系式,选取的传热模型下的计算结果与试验结果符合较好。利用传热模型验证了AP1000的设计工况,发现AP1000非能动余热排出热交换器的设计能带走堆芯余热。本文研究可为大型先进压水堆设计和安全分析提供技术支撑。     

非能动余热排出系统换热器管外流动组织及其对换热能力影响分析

对非能动余热排出系统的换热器管外对流换热进行数值分析,比较组织流道和不组织流道时换热器管束外部的流动分布的差异和换热能力的大小,数值计算结果表明,组织流道可优化换热器管外的流动,提高换热器的换热能力。比较分析无流道、有流道和流道出现缝隙对换热能力、阻力和出口温度等的影响。分析结果表明,组织流道会使换热能力增加约20%,阻力增加约1倍;当流道出现缝隙时,单缝隙对换热器的换热能力影响不大,多缝隙会损失一部分换热量。     

箭鱼形翅片微通道流动换热特性研究

超临界二氧化碳布雷顿循环是第4代核能采用的新一代热能循环系统。紧凑式微通道换热器作为超临界二氧化碳布雷顿循环的高低温回热器,其流动换热特性直接影响整体热电转化的效率。降低回热器的流动阻力,同时维持较高的换热效率是微通道换热器优化设计的重要研究内容。箭鱼形翅片微通道设计借鉴仿生学原理,理论上可显著降低流动阻力。本文以超临界二氧化碳为流动工质,建立箭鱼形翅片换热器的模型并进行三维数值模拟,分析不同排列下的箭鱼形翅片设计对换热器流动换热特性的影响。同时对箭鱼形翅片设计与传统商用折线形微通道换热器流动换热特性进行对比分析。研究分析表明,在相同雷诺数下,箭鱼形翅片微通道的努塞尔数为折线形流道的2倍,而压降仅为其1/2,所以箭鱼形翅片微通道换热器的流动换热特性明显优于折线形换热器。通过优化分析,发现箭鱼形翅片设计最优的排列间距为沿流动方向的翅片间距L_a＝8 mm,垂直于流动方向的翅片间距L_b＝6 mm。     

Friction Pressure Drop and Heat Transfer Coefficient of Two-Phase Flow in Helically Coiled Tube Once-Through Steam Generator for Integrated Type Marine Water Reactor

Two-phase friction pressure drop and heat transfer coefficients in a once-through steam generator with helically coiled tubes were investigated with the model test rig of an integrated type marine water reactor. As the dimensions of the heat transfer tubes and the thermal-fluid conditions are almost the same as those of real reactors, the data applicable directly to the real reactor design were obtained. As to the friction pressure drop, modified Kozeki's prediction which is based on the experimental data by Kozeki for coiled tubes, agreed the best with the experimental data. Modified Martinelli-Nelson's prediction which is based on Martinelli-Nelson's multiplier using Ito's equation for single-phase flow in coiled tube, agreed within 30%. The effect of coiled tube on the average heat transfer coefficients at boiling region were small, and the predictions for straight tube could also be applied to coiled tube. Schrock-Grossman's correlation agreed well with the experimental data at the pressures of lower than 3.5 MPa. It was suggested that dryout should be occurred at the quality of greater than 90% within the conditions of this report.     

中间换热器的传热和阻力特性

中间换热器在高温气冷堆氦气透平间接循环发电系统中是耦合高温气冷堆和氦气透平的关键部件,承担着将高温气冷堆中高温氦气的能量传递到氦气透平回路的任务.中间换热器给氦气透平的设计和运行维护带来方便,但它的传热与阻力性能不可避免地影响循环效率,因此,中间换热器的设计和选型需综合考虑传热效率、压力损失、材料性能和紧凑度等因素.本文介绍了印制板式换热器(PCHE)的主要特点,分析了它在间接循环系统中应用的可行性,重点研究了该中间换热器的传热和流动阻力特性,以及影响PCHE换热效率和压力损失的主要因素.在此基础上,提出了优化中间换热器传热和阻力特性的途径和方法.