R134a卧式螺旋管内沸腾两相流型与传热特性实验研究

在蒸发温度为5～15 ℃、热流密度范围为5～20 kW·m^-2、工质质量流速变化范围为50～500 kg·m^-2·s^-1和干度范围为0.01～0.9的条件下,对R134a在卧式螺旋管内的沸腾两相流型及传热特性进行了实验研究。利用可视化技术对流型进行了观察分析,发现在相同工况条件下,卧式螺旋管上升段和下降段的流型有所不同,特别是形成环状流之前存在明显不同的过渡流型,分别为波环状流型和超大气弹流型,因此,对上升段和下降段分别建立了流型图。获得了传热系数随工质的干度、质量流速和热流密度等参数的变化关系,发展了R134a在卧式螺旋管内流动沸腾传热系数的计算关联式。     

R134a卧式螺旋管内流动沸腾CHF特性研究

为探索低潜热工质在卧式螺旋管内流动沸腾的临界热流密度(CHF)特性,采取大电流直接对实验段通电,利用不锈钢电阻加热的方式,在出口压力p=0.40~1.05 MPa,质量流速G=51~257 kg/m2s,入口热平衡干度Xi=-0.18~0.43的条件下开展了R134a在卧式螺旋管内流动沸腾的CHF特性研究。实验用螺旋管内径7.6 mm,螺旋径300 mm,节距40 mm,有效加热长度7.07 m。重点分析了实验段壁温沿管长和管截面周向的变化规律,以及压力、流量、干度等参数对CHF值的影响,并把实验数据与Bowring和Shah关联式的计算值进行了验证比较,结果发现这2种关联式在该实验条件下均不适用。     

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。     

垂直圆管内超临界水传热关联式研究

基于圆管内超临界水传热试验数据建立传热系数的预测关联式。将本文关联式和相关文献关联式预测结果与试验数据进行对比,全面比较各关联式的适用性和通用性。结果表明:本文建立的关联式具有较宽的预测范围,不仅可以预测超临界水正常传热,还可以预测传热强化和传热恶化等典型传热行为。     

圆管内超临界水传热恶化数值模拟及模型评价

采用计算流体力学(CFD)方法对圆管通道内超临界水的传热恶化特性进行数值模拟研究,将现有模型对超临界条件计算的适用性和可靠性进行了评估。计算结果表明,在低质量流速条件下,传热恶化发生时流道内将会出现M型的速度分布,最大速度处的湍动能明显减小;在高质量流速条件下,传热恶化时各物性参数中热导率对其传热特性有明显的影响。模型评估结果表明,本研究中SST模型能够用于高质量流速条件下传热恶化的计算。     

以R134a为工质的乏燃料池非能动冷却热管实验研究

随着分离式热管不断被提出用于核电站非能动余热排出方案中,开展针对大尺度分离式热管的换热性能的实验研究变得日益迫切。为此,本文开展了以R134a为工质的304不锈钢材质的分离式热管传热特性实验研究,获得了热管整体换热性能、蒸发段内部温度分布特性,以及热源温度和冷凝段外风速对热管工作温度、换热量、换热系数和循环流量的影响。热管蒸发段内R134a经历过冷、两相和过热状态,其中两相区域较长,达6.6 m,因而具有较好的换热能力,在所研究的工况下换热量最高达21 kW。参数敏感性分析表明,热源入口温度和冷凝段风速的增大能促进热管的换热性能,特别是热源入口温度的影响更显著。冷凝段风速较小时,其对换热量的影响较为显著,然而随空气速度的增加,影响降低。此外,依据试验数据拟合得到了换热量与冷热源温差的经验关系式,能在工程应用中快速预测热管的性能。     

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。     

圆管内超临界水上升、下降流动传热实验研究

在SWAMUP实验回路中,针对超临界水流动换热开展上升、下降流实验研究,观测到了正常传热、传热恶化、传热强化等现象。实验结果及分析表明：浮升效应导致的第一类传热恶化只会发生在上升流中,加速效应导致的第二类传热恶化与流动方向无关;表征浮升效应和加速效应无量纲参数Bu和π_A能较好地从机理上预测第一类、第二类传热恶化。     

竖直圆管内超临界二氧化碳强迫对流传热实验研究

为分析超临界二氧化碳强迫对流传热特性,开展竖直圆管内超临界二氧化碳强迫对流传热特性实验研究。实验结果表明:实验参数范围内存在明显的浮升力效应和流动加速效应;对于向上流动工况,随浮升力效应增强超临界二氧化碳从强迫对流传热过渡至混合对流传热,最后发展为自然对流传热,传热能力有弱化到逐渐恢复直至强化;对于向上流和向下流动工况,流动加速效应皆弱化传热。基于实验数据建立新的超临界流体传热关联式,在实验工况范围内95.03%的预测值与实验值偏差为±30%以内。     

竖直圆管通道内超临界水传热实验及数值模拟研究

为了对超临界水冷堆概念设计参数范围内超临界水的传热特性有进一步的了解,通过实验和数值模拟的方法对竖直上升圆管通道内超临界水的传热特性开展了研究,用实验数据对现有传热关系式和CFD计算模型进行了评估。通过实验数据与现有经验关系式的对比,发现现有大多数超临界传热关系式能够对本实验的壁温进行预测。使用实验数据对CFD模型进行了评估,结果表明在本实验参数条件下SST模型和RNG k-ε 模型的计算壁温与实验数据趋势基本一致。     

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。     

高雷诺数条件下超临界压力CO2在垂直圆管内换热特性的实验研究

对超临界压力CO2在高雷诺数条件下的垂直圆管(d＝2 mm)内向上流动时的换热特性进行了实验研究,分析了热流密度、质量流量、进口温度、压力、浮升力和热加速等因素对壁温和换热的影响.实验结果表明:热流密度比较高的情况下,向上流动时会出现局部换热恶化现象;质量流量的提高会消除或推迟换热恶化的发生;不同的进口温度对换热能力有很大的影响;压力的提高会降低换热恶化的程度.     

低雷诺数条件下超临界压力CO_2换热实验研究

在低雷诺数条件下(Rein=1970和750),对超临界压力CO2在垂直圆管(d=2 mm)内向上流动和向下流动时的对流换热进行了实验研究。实验结果表明:当Rein=1970时,在热流密度较高的情况下,在管子的入口处向上流动会出现局部壁面温度峰值和谷值,而在向下流动时未观察到此类似现象;当Rein=750时,向上、向下流动壁面温度的变化趋势和换热规律类似。     

Numerical Simulation of Heat Transfer of Supercritical Fluids in Circular Tubes Using Different Turbulence Models

In this study, the heat transfer of supercritical fluids in vertical and horizontal circular tubes has been investigated numerically to understand the thermal-hydraulic behavior of supercritical fluids. The simulations are carried out using different turbulence models and the numerical results are compared with the experimental data to evaluate the accuracy and applicability of those turbulence models. Six turbulence models are used in this study, the LB low-Re k-? model, the LS low-Re k-? model, the RNG k-? model, the realizable k-? model, the standard k-? model, and the Reynolds stress model. The comparison shows that the Reynolds stress model gives better agreement with the experimental data than other turbulence models studied in this work.