非能动余热交换器瞬态换热特性数值模拟及敏感性分析

以美国非能动型先进压水堆AP600的非能动余热交换器简化试验模型为FLUENT的数值计算模型,采用标准k-ε湍流模型和自然对流Boussinesq模型,对非能动余热交换器和内置换料水箱的自然对流换热特性进行数值模拟。模拟结果与试验结果基本一致,较好地再现了各瞬态工况下非能动余热交换器换热过程中温度、速度分布与加热时间的变化特性。敏感性分析表明,导流板结构及进口形式对自然对流影响很小,升高水箱初始温度或增加换热管数量均能加强换热效果。     

严重事故下混合气体与壁面对流传热模型研究

反应堆严重事故下堆芯熔化发生锆水反应产生大量氢气，若一回路边界破裂，以氢气、水蒸气为主的混合气体进入安全壳内，将与安全壳内壁等结构壁面发生对流换热。本文对Melcor,Gasflow以及Contain三种严重事故模拟软件的对流换热计算模型与通用对流传热模型进行分析对比：Melcor,Contain的单相对流换热模型是通用对流换热模型的简化，其中Melcor的流态划分比Contain更细致，而Gasflow则采用雷诺比拟模型；对于相变对流换热，Melcor采用基于液膜跟踪模型的相变对流换热模型，临界雷诺数不同于通用模型且湍流换热关联式复杂，Contain在通用模型的基础上添加了蒸发修正与不可凝气体修正，Gasflow采用的是雷诺比拟方法。此外，本文还以Conan冷凝对流换热实验为例进行对比分析，模拟发现：Gasflow模拟结果与实验数据的吻合度相对较高；Melcor与Contain模拟结果较为相似，但与实验结果之间存在差异。     

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.     

液态铅铋合金湍流普朗特数及RANS模型优选

工程上常采用RANS湍流模型进行热工水力相关的数值模拟,然而液态铅铋合金（LBE）具有独特的热物性,常规湍流普朗特数模型和RANS湍流模型对其流动与传热模拟的适用性有待研究。为更准确地描述绕丝燃料组件内LBE的流动与换热过程,本文基于大涡模拟对湍流普朗特数模型和RANS湍流模型进行优选。首先,采用四种湍流普朗特数模型对绕丝燃料组件内LBE的流动与传热过程进行大涡模拟,对比分析实验数据和模拟结果并进行模型优选。基于优选的湍流普朗特数模型,评价RANS湍流模型对LBE数值模拟的适用性和准确性。结果表明,Cheng湍流普朗特数模型和SST k-ω模型对LBE流动与传热模拟的准确性和适用性最高。     

高温、高流速氢气在圆管内流动换热特性研究

为探究工质在核热推进反应堆冷却剂通道内的热工水力行为,基于数值计算方法,开展了圆管内高温、高流速氢气流动换热特性研究。通过与实验数据对比发现,采用压力基耦合算法、SST k-ω湍流模型以及物性模型进行高温、高流速氢气流动换热特性数值模拟是合理可行的,计算值与实验值符合较好,计算模型选择正确。在分析基础工况流场与温度场的基础上,还研究了热工参数对氢气管内流动换热特性的影响,结果表明,随质量流量的增大换热效果增强,随热流密度的增大换热效果变差。研究方法与结果可为高温、高热流密度环境下气体工质流动换热特性研究、核热推进反应堆的热工设计与仿真模拟提供参考。     

大空间内底部弧形加热段自然对流传热特性研究

为准确预测安全壳上封头的自然对流换热特性以保证堆芯余热安全排出,设计了采用底部弧形加热段的矩形封腔自然对流装置,研究导热率对底部弧形加热段和封腔内流体温度分布的影响,并基于开源软件Open FOAM,采用数值模拟方法对比分析2种湍流模型和3种湍流热通量模型的适用性。结果表明,流体沿弧形面的流动受边界层和绕流脱体强化现象的影响,局部自然对流换热强度从顶部向两端先减小后增大;材料热导率对弧形面的温度分布影响比较大,但对于加热段外的流体温度分布影响极小;经过对AFM模型进行修正,得到了更适用于实验条件的模型参数值,修正后的模型对流体速度场的模拟更为准确且在更高功率工况下也得到验证。本研究可为后续方案设计的有效性评价提供参考。     

硝酸盐自然循环回路空冷塔性能分析

硝酸盐自然循环回路(Nitrate Natural Circulation Loop,NNCL)是先进熔盐堆非能动衰变热排出系统的实验回路,目的是获得自然循环下回路的传热、阻力等特性,验证计算分析方法的正确性等。本文采用RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型、增强壁面函数和SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法,对硝酸盐自然循环回路空冷塔部分的对流换热进行了数值模拟研究。计算结果表明:空冷换热器旁路漏流对换热有较大影响,可以通过旁路挡板增强换热能力,三层旁路挡板的设计能将换热能力提升近一倍。     

二维瞬态熔融池传热特性分析程序开发与验证

针对高瑞利数熔融池自然对流传热特性实验(COPRA),建立了熔融池自然对流传热模型,并基于SIMPLE算法开发了二维瞬态熔融池传热特性分析程序。熔融池模型采用近壁修正的低雷诺数(Re)k-ε湍流模型模拟全区域的自然对流,同时考虑了熔融物硬壳凝固熔化的相变传热过程,以及硬壳与下封头壁面的导热温度场计算。采用瞬态分析程序针对COPRA实验工况进行模拟,计算得到的熔融池温度、圆弧壁面热流密度和硬壳厚度结果与COPRA实验数据符合得较好,验证了本文模型和二维瞬态熔融池传热特性分析程序的可靠性。     

模拟热分层流场的湍流模型的比较及优化

对雷诺应力模型(RSM)在数值模拟热分层流场方面进行了优化，特别是改进了传统的模化方法，通过精确地计算湍流通量输运方程来求解加热湍流中非常重要的热浮力项，然后，将优化后的RSM、标准κ-ε湍流模型和考虑浮力项的κ-ε湍流模型对热分层流动和混合流动进行数值模拟。计算结果与实验数据相比较显示，RSM比其它的湍流模型更适合于计算各向异性的热分层流动。     

CFX中湍流模型用于分析超临界水传热的适用性评价

通过两组典型实验数据,对商业软件CFX的12种湍流模型用于模拟超临界水竖直向上流动传热的性能进行评价。研究结果表明：强迫对流时,BSL代数应力模型与实验结果符合最好,但各模型间差异均不大;混合对流时,基于壁面函数的ε类型湍流模型不能模拟传热恶化趋势,自动壁面处理的ω类型湍流模型能模拟出传热恶化的趋势,但各模型预测结果和实验结果相差较大。评价结果表明近壁面的处理方式对模拟结果影响很大。此外,基于湍流普朗特数模拟湍流热流密度及未考虑密度脉动对传热的影响均是导致不能正确模拟超临界水传热行为的因素,建议对湍流模型进行改进。     

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.     

CEFR热传输及发电能力分析

针对中国实验快堆（CEFR）发电能力问题,对CEFR 3条回路的输热能力及热电转换能力进行建模并分析计算,通过40%额定功率发电工况下的试验数据验证了所建模型的正确性。依据CEFR的实际情况,提出优化运行工况的改进措施,其效果得到了汽轮发电机组厂家数据的验证,并结合输热能力验证模型模拟CEFR满功率下的热传输及发电能力。结果表明：基于优化后的运行工况,CEFR热传输系统和热电转换系统可达到设计要求。     

Analysis of heat transfer and flow characteristics in turbulent impinging jet

Jet impingement technique is characterized by a high heat removal capability. As such it has been proposed as a cooling method for the helium cooled divertor, a high-heat flux component of the future fusion reactor called DEMO. Since power plant efficiency depends on the divertor’s heat removal capability it has to meet certain demands, i.e. high-heat transfer and low pressure drop.In this paper local heat transfer and flow characteristics of an axis-symmetric impinging jet are analyzed numerically using the RANS approach and eddy viscosity type SST turbulence model. Turbulence models and heat transfer predictions are validated on the free jet impingement experiment (Baughn and Shimizu, 1989). Since the numerical results are affected by the turbulence model the influence of the turbulent production is investigated in particular.The validated numerical model is further applied to analyze the effect of the nozzle inlet shape on the heat removal capability and pressure drop in the confined impinging jet. Two different nozzle inlet parameters are tested; chamfer angle θ and chamfer depth L_ch. The numerical results are compared with the experimental data (Brignoni and Garimella, 2000).     

湍流模型对5×5格架棒束通道流动传热数值模拟影响分析

同一软件工具采用不同湍流模型进行燃料组件格架棒束通道CFD分析时会得到不同的数值结果,本文采用ANSYS CFX软件,建立了包含典型5×5格架的棒束通道CFD模型,研究了涡粘和雷诺应力两大类6种典型湍流模型对燃料组件压降与换热特性数值结果的影响,计算了压降和Nu分布结果与相似的实验结果进行对比,通过分析3个典型搅混效果评价因子,探讨了搅混翼流动与换热的内在影响关系,同时对比了不同湍流模型对结果的影响。通过与相似实验数据对比分析,认为雷诺应力模型较适宜计算本文所研究的定位格架及棒束通道内流动传热特性。     

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。     

液态铅铋合金管内流动传热特性研究

为研究液态铅铋合金的流动传热特性,建立了相应的实验台架,并开展了传热特性试验,获得了1组针对液态铅铋合金的传热关系式。同时使用Fluent程序对圆管内铅铋合金的流动换热进行了模拟计算,以研究不同湍流普朗特数模型和不同湍流模型的选取对计算结果的影响。根据计算结果,探讨了不同湍流普朗特数模型对计算结果的影响,并得到了不同Peclet数下推荐使用的物理模型。     

Heat Transfer Performance of High Temperature and High Velocity Hydrogen Flow inside Circle Tube

In order to investigate the thermo-hydraulic characteristics of working fluids in the coolant channel of nuclear thermal propulsion reactors, the flow and heat transfer performance of high temperature and high velocity hydrogen in the circle tube was studied by the numerical calculation method. Comparing with the experimental data, it is found that the pressure-based coupled algorithm, SST k-ω turbulence model and hydrogen property model are reasonable and feasible to simulate the flow and heat transfer performance of hydrogen at high temperature and high velocity. The calculated values agree well with the experimental data, and the numerical simulation model is correct. Based on the analysis of flow and temperature field of the base case, the effects of thermal parameters on the flow and heat transfer performance of hydrogen were also studied. The increasing inlet mass flow rate enhances heat transfer performance and the increasing heat flux weakens it. The methods and results can provide some references and guidance for the study of the flow and heat transfer performance of gaseous fluid under high temperature and high heat flux, and thermal design and simulation of nuclear thermal propulsion reactor.