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。     

不同状态方程对超临界二氧化碳强迫对流传热中流动加速因子的影响

明显的流动加速效应对超临界二氧化碳强迫对流传热有重要影响。流动加速因子是表征流动加速效应强度的重要无量纲数，在建立流动加速因子过程中需要用到二氧化碳状态方程。理论分析了选取理想气体状态方程和van der Waals方程对建立的流动加速因子合理性的影响，并结合实验数据进行了评估。结果表明，基于van der Waals 方程建立的流动加速因子可以较好地预测流动加速效应引起的传热恶化区域，而基于理想气体状态方程建立的流动加速因子与实验结果存在较大偏差。分析表明体积膨胀系数和体积压缩系数反映了流动加速现象的本质，以体积膨胀系数和体积压缩系数来建立流动加速因子更合理。      

典型超临界二氧化碳强迫对流传热关联式评价分析

对不同类型的超临界二氧化碳(S-CO_2)强迫对流传热关联式进行分类整理,并基于公开发表的实验数据,对典型S-CO_2强迫对流传热关联进行评价。结果表明:传热关联式在拟临界区域预测结果与实验结果存在较大偏差,在传热退化恢复阶段预测能力较差;Dong Eok Kim和Moo Hwan Kim关联式预测结果与实验数据吻合相对较好,84.53%的预测值与实验值偏差在±30%以内。结合评价结果对典型传热关联式的结构特点进行了分析讨论。     

浮升力和流动加速效应对超临界CO_2传热影响研究

在简单自然循环回路内开展了传热实验研究,分析浮升力效应和流动加速效应对自然循环条件下超临界CO_2传热的影响,提出一个适用于自然循环工况的新传热关系式。研究结果表明:上述两种因素中浮升力效应是影响自然循环条件下超临界CO_2传热的主要因素,提出的关系式能较好地预测自然循环条件下CO_2传热特性。     

竖直圆管内超临界流体混合对流传热特性理论分析

理论推导了变密度引起的浮升力效应和流动加速效应对超临界流体混合对流传热特性的影响。结果表明,浮升力效应和流动加速效应通过改变壁面边界层外缘的切应力影响湍流对传热传质的贡献,进而改变超临界流体混合对流传热特性。浮升力效应通常在加热区域入口及上游区域表现明显,而流动加速效应在主流区流体温度达到拟临界温度时更显著。与实验研究结果对比发现,新建立的浮升力因子和流动加速因子可较好地预测竖直圆管内超临界流体混合对流条件下拟临界区域的局部传热特性。     

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。     

加热上升混合对流传热实验研究

在加热上升混合对流中,浮升力的存在显著改变了速度分布和切压力分布,使边界层趋于层流化和充分发展湍流起始点的延后,并使传热系数表现出由弱化、恢复再强化的过程。本研究在中压下不同直径的竖直加热圆管上进行了纯蒸汽的强迫对流传热实验,也在超临界压力下不同直径的加热圆管上进行水的强迫对流和自然循环传热实验。研究表明:随着浮升力参数的增大,传热逐渐弱化;在浮升力参数达到一定值时传热系数达到最小值,随后逐渐恢复,并最终出现强化。在实验数据基础上提出了加热上升混合对流的传热关系式。     

浮升力效应和流动加速效应对超临界二氧化碳传热影响理论分析

从边界层基本特性出发,分析了拟临界区强变物性导致的浮升力效应和流动加速效应对近壁面区域超临界二氧化碳传热特性的影响机理,基于受力分析推导得到了2种效应作用下的超临界流体传热弱化起始点理论判据。研究结果表明,对于加热工况竖直向上流动,浮升力效应和流动加速效应均会导致近壁面区域切应力减弱,进而影响近壁面区湍流的生成与扩散,最终导致传热弱化;2种效应作用下传热弱化起始点判据分别为浮升力因子Bu=1.16×10-5和流动加速因子Ac=2.91×10-6,上述阈值与实验结果吻合良好。      

超临界压力CO_2在垂直管内对流换热准则关联式

对垂直圆管(d=2 mm)内的超临界压力CO2,在压力为7.8~9.5 MPa、进口温度为25~40℃、进口雷诺数Re为3×103～2×104,向上流动和向下流动时的对流换热实验研究结果进行了分析。在无浮升力影响和浮升力影响较大两种情况下,将实验结果与已有的准则关联式进行了比较,发现两者偏差较大。因此,在基于实验结果的基础上,提出了新的预测超临界流体换热的准则关联式。     

超临界压力CO2在垂直管内对流换热数值模拟

对于超临界压力CO2在垂直圆管(din=2 mm)内高进口雷诺数(Re=9 000)条件下向上流动时的对流换热进行了数值模拟.通过与实验数据进行对比来验证湍流模型的可靠性,并研究变物性和浮升力对壁面温度和湍动能的影响.结果表明:在热流密度较高的情况下,向上流动时出现了局部换热恶化和换热强化现象,这主要归因于浮升力对湍动能分布的影响;采用LB湍流模型能较好地模拟这种换热现象;在热流密度较低的情况下,未出现上述换热现象.     

双D形流道内超临界二氧化碳传热特性数值研究

对简单双D形流道内超临界二氧化碳传热特性进行数值研究。重点研究了热流体质量流速对换热功率和换热效能的影响,以及热流道失流工况对传热特性的影响。研究表明:随着热流体质量流速增加,换热器换热功率增加,换热器换热效能降低;换热器的换热能力受冷热流体温差驱动,热流体失流时换热器换热能力下降,壁面温度降低,与定热流密度传热存在一定差异。     

Transient Velocity Distributions for the Supercritical Carbon Dioxide Forced Convection Heat Transfer

The authors successfully visualize the density variation of supercritical carbon dioxide under forced convective heat transfer using schlieren and shadowgraph techniques as research toward the precise characterization of supercritical fluid behavior. Using a new experimental setup with short-pulse infrared laser and high-speed camera and by employing frame straddling, sequential images are obtained at an interval of only 0.48 ms. A noise-reduction step is also added to the cross-correlation algorithm to produce clear and accurate velocity distribution maps. The proposed technique is demonstrated to be a highly effective and accurate analysis tool for the behavior of supercritical fluids, and is expected to be useful in research on precision applications such as nuclear reactors.     

超临界流体管内对流换热模化分析

在超临界流体管内对流换热数据库的基础上,对近年来针对超临界流体管内换热的不同模化方法进行分析,提出了修正的Cheng等模化准则,并进行实验数据验证。结果表明：采用周强泰的传热关系式中的指数,并取平均性质的普朗特数后,得到的修正的Cheng等模化准则精度更高,不同超临界流体间传热的模化符合较好。     

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。     

液态金属钠在圆管和环管内流动时放热问题的数值解

液态金属因导热系数很高,与普通流体相比,其传热规律独特。特别是由于湍流放热机理复杂,纯理论研究不能或难于给出精确解析解,但是借助数值计算法则可得到满意的结果。本文中广泛比较了影响 Nu 值的各种因素的关系式,验证了它们的适用性,而且用数值法研究了等热流边界条件下液态金属圆管和环管放热问题,所得结果与实验及他人理论计算结果符合得较好。