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。     

超临界二氧化碳在印刷电路板式换热器内的流动换热特性研究

印刷电路板式换热器（PCHE）是一种微通道换热器，具有换热效率高、耐高温、耐高压等优势，可广泛应用于海洋工程、核能、光热发电等领域。本文采用数值模拟的方法，计算了跨拟临界点超临界二氧化碳（SCO₂）在印刷电路板式换热器内的流动换热特性。结果表明：SCO₂流体温度达到拟临界温度时，流通截面内流体温度分布最均匀，因为此时流体的有效导热系数最大；SCO₂侧对流换热热阻在总热阻中占比最大，其次为导热热阻，水侧对流换热热阻最小；采用等效厚度法计算得到的导热热阻偏大；雷诺数越大，在拟临界温度附近换热强化的程度越大。     

蚀刻后折角圆弧对折线微通道内流动换热特性的影响分析

应用实验测量结合数值模拟的方法研究了蚀刻后折角圆弧对折线微通道内流动换热特性的影响。实验测量结果表明,化学蚀刻过程中的侧蚀现象必然导致折线流道折角处产生圆弧过渡,且圆弧半径随流道倾角的增加呈幂函数衰减。数值模拟结果表明：扰流角处圆弧过渡将显著顺滑流动而不显著地降低换热,45°流道倾角时,折角处圆弧过渡可使单位长度压降减小约91.9%,Nu最大将减小12.5%;当流道倾角<45°时,导流角弧度半径影响较小,建立流道模型时可设定导流角弧度半径等于扰流角弧度半径以简化模型;折角处圆弧过渡的复合折线流道形式是折线微流道结构优化的重要方向,且流道倾角越大优化效果越明显。     

带有定位格架的超临界反应堆堆芯强制对流换热的数值研究

采用非结构化多面体网格和商业计算流体力学(CFD)软件对两类带有流动强化特征的定位格架对超临界水在反应堆堆芯子通道内流动及换热特性的影响进行数值研究。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;在定位格架内部,流通面积减小,流速增加,换热得以有效强化;阻流片型定位格架对子通道中心流体的阻挡和导流能够中和流动阻塞效应,强化其下游窄缝区的局部换热效果;交错叶片型定位格架能够在其下游产生漩涡流,加强相邻子通道间工质的热量和质量交换,强化局部换热;漩涡流也可能导致轴向速度损失,造成局部换热弱化,不利于反应堆的安全性;入口雷诺数Re对交错叶片型定位格架下游局部换热有较大影响。Re较高时,此类定位格架对子通道内局部换热的强化作用更为明显。     

高温氦氙气体微通道回热器的传热流动特性分析

以氦氙气体作为工质的闭式布雷顿循环系统是大功率空间热电转换目前最可行的技术方案。高温氦氙气体回热器是闭式布雷顿循环系统的关键部件,其性能明显影响系统发电效率、系统发射质量以及系统布置的紧凑性。本文采用计算流体力学和传统理论分析方法,针对高温氦氙气体微通道的结构及成型工艺选择、工作温度与回热器回热度的关系、流量与性能参数的关系等进行了研究。研究结果表明,采用精雕工艺作为微通道的成型工艺可在不降低回热器换热性能的前提下降低压降40%,减少质量17%。在设计参数条件下,微通道之间设置联通通道不会增加换热能力。回热器回热度随流量的增加而减小,且存在拐点,对于拟研制回热器的设计参数,设计流量应不高于0.24 g/s。回热器结构合理性用单位压降和温降条件下换热面积与功率的比值来判断,降低雷诺数能有效提高回热器的结构合理性。     

自然循环换热器壳侧传热及流动的数值模拟

为分析换热器的求解模型和内部结构的不同对传热和流动特性的影响,用等效自然循环换热器的模型进行多种变换。用Fluent软件对等效模型进行非稳态数值模拟,研究其传热和流动特性。通过比较分析不同模型的温度场和流场的变化,对该换热器的传热过程和自然对流情况有较深刻的认识。结果表明：自然循环换热器的传热管内外温差较大,且流动较复杂,选用湍流模型计算更为合理;传热管位置的不对称性,引起左右两侧传热和流动的不对称性,使得流体相互影响,增强了自然对流作用;传热管的形状由直管变为C型弯管,结构的复杂性在一定程度上增强了流体温度分布和流动的不规则性,使得湍流强度增加,致使换热效果得到改善。     

六边形排列的7棒束通道内液态钠流动换热特性试验研究

以液态钠作为试验工质,对六边形排列的7棒束通道内液态钠流动换热特性进行了试验研究。试验流速为0~4 m·s^-1,热流密度为0~120 kW·m^-2,系统压力为1.5~200 kPa,对应的雷诺数和佩克莱数分别为4 000~60 000和0~340。深入分析了部分热工参数对7棒束通道内液态钠流动换热特性的影响,通过对7棒束通道内液态钠流动换热的试验数据的非线性拟合,得到适用于7棒束通道内液态钠流动换热的经验关系式。结果表明：拟合得到的摩擦系数关系式和努塞尔数关系式能准确地预测7棒束通道内的试验数据,其预测误差分别小于5%和6%。将获得的努塞尔数关系式与其他研究者的试验数据进行比较,与其他研究者985%的试验数据误差在30%以内,表明获得的关系式适用于7棒束通道内液态钠流动换热。     

压水堆余热排出换热器性能研究

以压水堆余热排出系统为对象,建立管壳式换热器的数学模型。与换热器设计软件HTRI的计算结果进行对比,结果表明该模型可以准确预测管壳式换热器的管壳侧出口温度。总传热系数敏感性计算表明,该参数随管壳侧流量变化而变化,在换热器性能预测时不能当作常数处理,应与工况进行耦合计算。当管壳侧体积流量小于1000 m3/h时,总传热系数对流量较为敏感;当体积流量大于1000 m3/h时,流量的影响则相对较弱。该模型为预测换热器其他工况的换热性能提供基础,为换热设备调试提供指导,为核电厂设计验证及高效安全运行提供可靠依据。     

纵向涡发生器作用下矩形通道内流动换热性能研究

对渐缩式纵向涡发生器与椭圆支柱共同作用下矩形通道内的流动换热性能进行了研究,与渐缩式纵向涡发生器、渐扩式纵向涡发生器和光通道的流动换热性能进行了对比,并利用场协同原理对其换热机理进行了分析。结果表明：纵向涡发生器可增强换热,有利于降低加热板的表面温度,从而提高反应堆堆芯的CHF值。采用JF因子对各矩形通道的综合流动换热性能进行了比较,结果表明,渐缩式纵向涡发生器与椭圆支柱组合结构能以较小的阻力代价得到较大的换热效果,是一种理想的强化换热方式。     

壁面性质对蛇形微通道流动特性的影响

采用CLSVOF方法,以空气和水为介质,对不同壁面性质的矩形截面蛇形微通道内气液两相流动进行模拟研究。验证模型的合理性后,改变粗糙度及雷诺数Re,讨论其对泊肃叶数Po和努塞尔数Nu的影响并分析其影响机制;改变壁面接触角及粗糙度,探讨其对微通道内流体流动的综合影响;由于蛇形微通道特有的回转弯道,针对几种具有不同壁面性质的通道组合情况对流体流动特性进行研究。计算结果表明,壁面粗糙度的增加对Po的影响高于Nu,且可强化传热;壁面粗糙度对亲水壁面与疏水壁面的影响效果相反;当直微通道为亲水性光滑壁面、回转弯道为疏水性粗糙壁面时,其传热效果更好。     

Heat Transfer Characteristic of Airfoil Microchannel Efficient and Compact Heat Exchanger

Supercritical carbon dioxide (S-CO₂) Brayton cycle system is a new type of high-efficiency energy conversion system used in the fourth generation reactor. The microchannel efficient and compact heat exchanger is used in the system as high or low temperature recuperators. Besides, heat transfer performance and flow characteristics of heat exchanger have significant impacts on the overall energy conversion efficiency of the system. In this paper, the heat exchanger model of airfoil structure was established and the CFD method was used to study the influence of different spacing of fins on the overall heat transfer characteristics with S-CO₂ as the working fluid. The results show that the convective heat transfer performance of interlaced fins is better than that of side-by-side arrangement. When the interlaced spacing is half of the parallel spacing, the comprehensive performance of heat exchanger is better with the increase of the parallel spacing. The results of airfoil microchannel heat exchanger were compared with those of the Z-shaped microchannel heat exchanger, which shows that the pressure drop of airfoil microchannel heat exchanger is only 54.174% of the Z-shaped microchannel heat exchanger when the heat transfer capacity increases by 25.67%.     

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.     

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.     

千瓦级2 K超流氦板翅式换热器初步设计优化

本文采用分布参数法对1 000 W@2 K低温系统配套的50 g/s流量2 K换热器进行了设计计算。利用加权系数法提出了换热器综合优化指标,随后采用遗传算法进行优化,并根据工程需要从多个侧重点对换热器进行优化,获得了一系列优化方案,从中选择了侧重换热效率的方案作为初步设计结果。在该结果的基础上,进一步采用了CFD数值仿真校核,验证了初步设计结果的准确性。优化后换热器的换热效率为844%,压降为22216 Pa,体积为0022 1 m3。     

EAST阻性换热器多物理场耦合模拟计算

阻性换热器是EAST高温超导(HTS)电流引线的重要组成部分,目前有三头螺旋翅片和叠片两种结构形式,为了比较这两种阻性换热器的优劣,对它们的热工水力性能进行了多物理场耦合模拟计算,计算结果表明:两种阻性换热器在换热性能方面基本相当,均可满足快速换热的要求,但叠片换热器的流动阻力远小于三头螺旋翅片换热器的。实际运行过程中,三头螺旋翅片换热器中氮冷却回路的压力控制较为困难,经常需人工调节控制阀阀门,而叠片换热器中氮冷却回路的压力控制则较为简单,不需经常调节。因此,叠片式结构较三头螺旋翅片式结构更适合应用在EAST阻性换热器中。     

快堆钠-空气热交换器翅片管传热及阻力特性试验研究

钠-空气热交换器是钠冷快堆事故余热排出系统的重要设备之一,与外界环境一起构成事故下反应堆余热的最终热阱。由于钠-空气热交换器的换热管采用垂直布置的翅片管结构,空气在不同位置处冲刷换热管的流速以及角度不同,导致其传热特性及阻力特性与传统翅片管换热器有很大不同。本文以钠-空气热交换器工程设计需求为研究背景,设计了两种试验件分别进行空气冲刷角度为90°和30°时翅片管束传热与流动阻力特性试验研究。试验结果表明：对于相同管排,空气冲刷角度为90°时的翅片管的换热系数及阻力系数明显大于空气冲刷角度为30°时的翅片管;对于相同空气冲刷角度下的不同换热管排,第2排翅片管的换热系数最大。本文研究为钠-空气热交换器的设计及优化提供了理论依据。     

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.     

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。