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%。      

不同管径与倾角下单管和管束外含空气蒸汽冷凝对比分析

为评估不同传热管结构参数下单管与管束外含空气蒸汽冷凝传热规律的差异,基于外径12～19 mm、倾角0°～90°的单管和3×3管束在压力0.2～1.6 MPa、空气质量份额12%～87%的参数范围内开展了试验研究。结果表明：不同压力范围内,管径和倾角对单管和管束的影响呈现不同的规律。在压力小于0.8MPa时,管束冷凝传热受管径和倾角影响的规律与单管总体一致,两者的冷凝传热系数均随管径和倾角的减小而增大。在0.8～1.6 MPa时,管束冷凝传热受管径和倾角的影响与单管存在明显差异。结合不凝性气体影响蒸汽冷凝传热的机制对所呈现的一致性和差异性规律进行了分析。     

竖直管束外含空气蒸汽冷凝的实验研究

本文对竖直管束及单管的管外冷凝换热进行了实验研究,分析了管壁面过冷度、混合气体压力和不凝性气体含量对管束外冷凝传热性能的影响,对比了管束与单管的传热特性,给出了管束外冷凝传热系数的计算关联式。研究结果表明,管束的平均冷凝传热系数随过冷度的增大而减小,随混合气体压力的增大而增大,随不凝性气体质量分数的增加而减小。在混合气体高压力、低不凝性气体含量时管束的传热效果明显优于单管。关联式计算值与实验值误差范围小于±10%。     

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。      

不同管束布置方式下含有空气的蒸汽自然对流冷凝换热特性分析

为研究非能动安全壳冷却系统（PCCS）热交换器管束布置对自然对流条件下含有空气的蒸汽冷凝换热特性的影响,采用气体组分输运方程和冷凝模型耦合,对单管、单排到五排管束通道内冷凝换热过程进行数值研究。研究发现,管束区内存在由于管间高浓度空气层干扰使冷凝换热能力减弱的“抑制效应”,以及由于水蒸气壁面冷凝导致气体横向流动使壁面冷凝能力强化的“抽吸效应”。对不同管束结构下2种效应对冷凝换热的影响进行分析,结果表明,随着管束排数的增加,2种效应对冷凝换热的影响逐渐增强,导致冷凝管周向局部冷凝换热能力不均匀性增加,其中五排管束周向局部冷凝换热系数（HTC）最大值为单管的2.3倍,最小值仅为单管的44.7%。在双排、三排和四排管束中,正四边形布置管束的冷凝换热能力优于正三角形布置,而五排管束中,正三角形布置的冷凝换热能力更强。本研究可对PCCS热交换器管束布置优化提供参考。      

两串列管与两并列管的流致振动特性研究

为研究管束中的流-固耦合问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,实现计算结构动力学(CSD)与计算流体力学(CFD)之间的联合仿真,建立三维流体诱发弹性管束振动的数值模型。用本模型对单管振动响应进行数值模拟,并与已有实验数据比较证明了模型的合理性后,对三维弹性管的流-固耦合振动进行数值模拟分析。研究结果表明,发生锁定时单管的运动轨迹为"8"字型;两并列管的升力与横向变形幅值相等、相位相反,流体力、振幅随着间距的增加而减小,当间距大于1.5D后,两管间的相互影响基本消失,响应接近单管;两串列管中下游管的升力与振幅随节径比的增大而增大,当间距大于2D后,上游管几乎不受下游管的影响,流体力与振幅接近单管。     

两串列管与两并列管的流致振动特性研究

为研究管束中的流-固耦合问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,实现计算结构动力学(CSD)与计算流体力学(CFD)之间的联合仿真,建立三维流体诱发弹性管束振动的数值模型。用本模型对单管振动响应进行数值模拟,并与已有实验数据比较证明了模型的合理性后,对三维弹性管的流-固耦合振动进行数值模拟分析。研究结果表明,发生锁定时单管的运动轨迹为"8"字型;两并列管的升力与横向变形幅值相等、相位相反,流体力、振幅随着间距的增加而减小,当间距大于1.5D后,两管间的相互影响基本消失,响应接近单管;两串列管中下游管的升力与振幅随节径比的增大而增大,当间距大于2D后,上游管几乎不受下游管的影响,流体力与振幅接近单管。     

稳定蒸汽浸没射流冷凝传热系数评价

为分析稳定蒸汽浸没射流的传热特性,对3类典型冷凝传热系数开展评价。结果表明:平均传热系数实验值精度主要受界面面积计算模型影响,由冷凝驱动势和蒸汽质量流速表征的传统半经验关系式在不同孔径下的预测偏差较大,新增排放孔径为独立拟合变量的纯经验关系式适用范围更广且误差在±30%以内;界面传热系数的预测精度主要受汽羽微观参数取值的影响;由压力振荡主频表征的无量纲传热系数在低池水过冷度下与实验值偏差较大,关系式中纳入汽羽贯穿长度后,预测趋势与实验值类似。      

波纹管管外冷凝传热特性分析与实验研究

通过理论分析和实验验证,考察了冷凝流体在波纹管外表面的流动模型与传热情况,推导了波纹管冷凝传热系数的理论计算式;通过实验修正,计算式与实验结果较为一致,误差小于10%.同时研究了波纹管结构参数对波纹管强化传热性能的影响,探讨了其强化传热机理.结果表明,在滞流范围内,波纹管的传热系数为相同条件下直管的3～5倍,若考虑面积增加因素,强化传热效果为直管的5～7倍.     

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。     

非能动余热排出换热器冷凝换热性能研究

以浸没在高位水箱中的竖直管束为研究对象,对不同热负荷条件下竖直管束内冷凝换热特性进行研究,通过对比中心管与周围旁管的凝液增长率以及冷凝换热热阻,分析了中心管与旁管换热特性的差异,解释了低压条件下冷凝换热系数剧烈下降现象。将管束冷凝试验数据与已有单管试验数据对比发现,在相同蒸汽工况下,单管的冷凝换热系数与旁管的冷凝换热系数吻合较好,但远低于中心管的冷凝换热系数,说明中心管的换热性能相对于旁管确实得到了强化。通过对比换热系数的试验值与经典努塞尔理论和努塞尔修正理论的计算值发现,中心管的试验值与努塞尔修正理论计算值吻合较好,但旁管的偏差较大。     

非能动余热排出换热器池沸腾换热性能研究

以浸没在高位水箱中的竖直管束为研究对象,对不同热负荷条件下竖直管束的池沸腾换热特性进行研究,通过对比中心管与周围旁管外壁面过热度、凝液量的变化,分析了中心管与旁管换热特性的差异。实验结果表明,换热管束的换热能力明显优于单管,在相同热流密度条件下,管束沸腾换热系数可达到单管的1.2～1.5倍。与旁管相比,低热负荷条件下,中心管的换热能力优于旁管;高热负荷条件下,中心管的换热能力则不及旁管,在热流密度大于200 kW/m²时,旁管的沸腾换热系数相对于中心管提高了近7%,且从实验数据的变化趋势来看,旁管较中心管的沸腾换热能力有随热流密度增加而逐渐增大的趋势。     

非能动余热排出换热器优化设计研究

以CFX为工具,对AP1000非能动余热排出换热器的管束结构进行改进,分析了管束结构对非能动余热排出换热器性能的影响。研究结果表明,在单相自然对流和轻度沸腾区,管束三角形排布时的换热系数明显优于现有设计,换热能力随着节距的减小而增强。为确保饱和沸腾区的换热性能,便于饱和沸腾区气泡自加热面的逸离,节距应不小于1.5do。     

Pool boiling heat transfer enhancement on porous surface tube

The passive residual heat removal exchanger (PRHR HX),which is a key equipment of the passive residual heat removal system,is installed in an elevated pool.Its heat transfer performance affects security and economics of the reactor,and boiling heat transfer in the liquid surrounding the exchanger occurs when the liquid saturation temperature exceeded.The smooth tubes,which are widely used as heat transfer tubes in PRHR HX,can be replaced by some enhanced tubes to improve the boiling heat transfer capability.In this paper,the pool boiling heat transfer characteristics of smooth tube and a machined porous surface tube are investigated by using high-pressure steam condensing inside tube as heating source.Compared with smooth tube,the porous surface tube considerably enhances the boiling heat transfer,and shortens the time significantly before reaching the liquid saturation temperature.Its boiling heat transfer coefficient increases from 68% to 75%,and the wall superheat decreases by 1.5oC.Combining effect of condensation inside tube with boiling outside tube,the axial wall temperatures of heat transfer tube are neither uniform nor linear distribution.Based on these investigations,enhance mechanism of the porous surface tube is analyzed.