基于多孔介质模型的钾热管数值模拟

为研究钾热管内传热传质机理,对钾热管进行了数值模拟。建立了固液气三相耦合数学模型。其中对吸液芯液体流动区域采用了多孔介质模型,该模型考虑了液体流动对热管传热性能的影响。利用PHOENICS3.6对数学模型进行数值计算,得到了热管内的稳态工作参数。分析模拟结果得到了钾热管内部各相工质传热、传质机理,并与试验数据进行了比较。结果表明,模拟结果与试验数据符合较好。     

高温钾热管稳态运行传热特性研究

本文采用钾金属作为热管工质,对热管的传热性能展开理论和实验研究。首先,对不同加热功率和倾角下热管传热性能影响规律进行实验研究。结果表明,热管加热功率的提升有利于传热性能的改善,加热功率升高导致蒸发加剧,蒸气密度增加,进而强化蒸气传热。倾角对传热性能有正反两方面的作用。一方面,随倾角的增加冷凝段液膜不稳定性加剧,导致传热恶化;另一方面,倾角的增加导致重力加速液体工质回流并减薄冷凝段液膜,传热增强。在二者的共同作用下,随倾角的增加,热管等效热阻逐步增加且超过某一限值后趋于平稳。其次,以热阻网络法为指导,建立了钾热管的数学物理模型,并基于模块化程序思想,开发了热管设计分析程序。通过与实验数据对比,二者整体误差在2.7%以内,验证了热管模型的合理性。本文对碱金属高温热管的设计优化提供了数据及理论支持。     

高温锂热管三相耦合数值模拟

为了研究锂热管的传热机理,推动锂热管在小堆中的应用。采用COMSOL Multiphysics软件,建立了管壁、吸液芯和管内蒸气腔室的固液气三相耦合模型,对热管的温度分布、压力分布和速度分布进行计算。结果表明:当蒸发段的热流从13.9 kW增加到20.8 kW时,管壁温度、蒸气温度、蒸气压力以及吸液芯内部的液体压力、液体轴向速度随着加热功率的增加而增加,蒸气轴向速度随着加热功率的增加先增加后降低。在稳态运行时,管壁温度呈现阶梯形下降,而蒸气温度和压力基本保持不变,表明了锂热管具有良好的等温性。      

固态热管反应堆模拟装置热工水力特性分析

热管反应堆具有小型化、结构简单、固有安全性高等优势,有着广泛的应用前景和研究意义。本文采用CFD方法对热管反应堆模拟装置进行了稳态工况下的热工水力特性分析,并与实验结果进行对比。结果表明,热管各测点温度相对误差不超过5.5%,温差发电器热端各测点温度相对误差不超过3.1%,证明了该模型方法的可行性和正确性。本研究为热管反应堆的数值模拟提供理论指导与方法支撑。     

新型热管反应堆堆芯热工安全分析

针对新型空间热管反应堆,采用商用CFD软件FLUENT对其堆芯进行了稳态热工安全分析。根据MCNP物理计算的堆芯功率分布,选取功率份额最高的相邻3个燃料元件作为分析对象,对控制转鼓7种不同转动角度下的正常工况以及单根热管失效的事故工况进行计算分析,得到最热通道各层材料的温度分布。采用二维热管分析程序计算得到蒸汽区的温度分布,并作为三维计算模型的温度边界。堆芯功率分布采用用户自定义程序UDF进行添加。计算结果表明,在额定功率4.0 MW水平下,在正常工况以及单根热管失效事故工况下,热管具有足够的传热能力将堆芯裂变热导出,同时,堆芯最热通道各层材料温度均低于安全限值,且具有较大的安全裕度,满足设计要求。     

有芯和无芯高温重力钾热管启动性能试验研究

为研究有芯和无芯高温钾热管在重力状态下的启动性能,开展了相关对比与敏感性试验研究。得到有芯热管试验中的最优充液量为17.5 g,此充液量能避免充液量不足导致的启动升温较慢、末端温度低,也可避免充液量过大时间歇沸腾和过渡沸腾;无芯热管在启动和升温过程处于间歇沸腾工况,剧烈程度随充液量减少而降低,试验中最优充液量为9 g。在工程范围内,倾角对热管传热性能的影响可忽略。在试验状态下有芯钾热管启动性能优于无芯钾热管。     

热管堆中分段式温差发电器的仿真分析

温差发电器（TEG）是一种能够直接将热能转化为电能的器件设备,因此可在热管堆中将TEG作为能量转换系统。但当热管堆堆芯的平均或最高温度超过1 000 K后,TEG的缺陷就会暴露出来。分段式温差发电器（STEG）可解决这一问题。本文在COMSOL软件中搭建了STEG模型,确定了数值模拟方法,并对STEG的几何形状和热电性能进行了优化设计,将热管与STEG组合成单通道模型来进行仿真计算。对STEG进行了稳态的仿真计算,得到STEG的几何优化设计,并探究了热电和热力性能,热电转换效率最高可达15.75%,最大应力约为270 MPa。在单通道模型中,结合STEG的最优几何设计,热电转换效率最高可达15.63%。本文工作可为STEG与热管堆结合的数值模拟提供相应的基础。     

不同运行工况下蒸汽发生器热工水力稳态特性数值研究

基于相似模化理论建立了蒸汽发生器一、二回路流体及传热管流 固耦合传热的单元管三维物理模型,对大亚湾核电厂蒸汽发生器不同工况下的热工水力稳态特性进行了数值模拟研究。采用热相变模型描述二回路汽液两相流动与换热、流-固耦合模型描述一回路冷却剂借助U型管与二回路流体换热。数值计算结果表明：满负荷运行时,传热管内壁温度变化趋势与一次侧流体基本一致,外壁温度与二次侧流体温度变化趋势相同;截面平均含汽率沿传热管高度的升高呈上升趋势,出口质量含汽率与大亚湾核电厂实际运行参数相符;随负荷降低一回路出口温度基本不变,二回路出口温度升高,质量含汽率及传热系数下降,平均传热系数与Rohsenow经验关联式的计算结果基本吻合。     

非能动余热排出热交换器数值模拟

用FLUENT软件对AP1000非能动余热排出热交换器进行非稳态数值模拟,研究其传热和流动特性。通过比较分析同一时刻不同位置温度场和流场的分布,以及不同时刻同一位置温度场和流场的变化,对该热交换器的传热过程和自然对流情况有了较深刻的认识,有助于分析其自然循环能力,为非能动余热排出系统的有效运行提供参考。     

热管冷却双模式空间堆堆芯稳态热工水力分析程序开发

为研究热管冷却双模式空间堆(HP-BSNR)堆芯稳态热工水力安全特性,基于改进后的双模式反应堆初步概念设计方案建立了其堆芯热工水力模型,包括推进模式和电源模式下的燃料元件单通道模型、换热模型、压降计算模型以及热管模型等,开发了堆芯稳态热工水力分析程序STHA_HPBSNR。采用文献的实验数据以及程序ELM的计算结果与程序STHA_HPBSNR的氢气物性计算模块和热力学参数计算模块进行对比,初步验证了程序STHA_HPBSNR用于双模式空间堆系统热力学稳态计算分析的可靠性。此外分析了不同换热关系式和摩擦阻力关系式对通道壁面温度的影响,为后续将STHA_HPBSNR程序应用于双模式空间堆堆芯瞬态安全分析奠定了基础。     

Study on Heat Transfer Performance of High Temperature Potassium Heat Pipe at Steady State

The heat transfer performance of heat pipe was studied theoretically and experimentally by using potassium metal as working medium in this paper. Firstly, the influence of heating power and inclination angle on heat transfer performance of heat pipe was studied experimentally. The results show that the increase of heating power of heat pipe is beneficial to the improvement of heat transfer efficiency. The inclination angle has positive and negative effects on heat transfer performance. On the one hand, with the increase of inclination angle, the instability of liquid film in condenser section leads to the deterioration of heat transfer. On the other hand, the increase of inclination angle causes gravity to accelerate the reflux of liquid working medium and thin the liquid film in condenser section, enhancing the heat transfer. Under the joint action of the two, with the increase of inclination angle, the equivalent thermal resistance of the heat pipe gradually increases and tends to be stable. Secondly, based on the network method of thermal resistance, the mathematical and physical model of potassium heat pipe was established, and the design and analysis program of heat pipe was developed based on the idea of modular program. Compared with the experimental data, the overall error of the two is within 2.7%, which verifies the rationality of the model. In a word, this paper provides data and theory for the design and optimization of alkali metal high temperature heat pipe.     

碱金属高温热管启动运行特性分析

本文研究了碱金属高温热管的启动及运行瞬态,在传统热管冷态启动模型基础上,建立了以蒸气流态转变为划分依据的冷态启动三阶段模型,并依据该模型开发了热管启动瞬态分析程序HPSTAC,程序模拟结果与实验值相对偏差不超过15.7%。使用该程序模拟单根钠钾热管的启动瞬态并进行了敏感性分析,结果表明：启动开始后450、660、1 550 s,热管分别进入启动第2、3阶段与准稳态,蒸气区域趋于一致性温度837 K;启动环境温度主要影响冷凝段升温速度,输入热流密度对热管启动各阶段的影响存在阈值效应。     

热管式辐射器热工水力优化分析

热管式辐射器广泛应用于空间系统废热排放,其管道复杂,包含热管、翅片和包壳等复杂结构。针对热管式辐射器的流动与换热问题,本文采用CFD软件与自主研发程序RATHAL相结合的方法。先用CFD软件计算流动管道及集流环上的流量分配,再将该结果代入RATHAL程序中计算得到辐射器的温度分布。根据计算结果,以均匀温度分布为目的,对现有结构提出了合理的优化意见。结果表明,采用CFD软件与自主研发程序RATHAL相结合的方法能尽量真实并高效地模拟辐射器的流量分配与温度分布情况,且经过优化后辐射器集流环间的温差大幅缩小、设计更加合理。     

热管技术及性能分析程序研究

作为一种高效的热传输手段,热管具备可靠性高、传热温差小、无需外力驱动等特点,因此在航天航空、核工程等领域得到广泛研究和应用。为更好地应用热管技术开展新型反应堆的设计和研发,掌握热管性能分析的理论方法和软件工具,本文开展了热管技术及相关程序的开发。对热管的结构和工作原理、种类、工作特性等进行了分析,研究了热管分析的基本理论和各种传热极限的计算模型。在此基础上开发了热管性能分析程序HEPAC,其具备各类热管的传热特性分析及传热极限计算能力,通过与相关实验数据的对比分析,验证了程序的正确性。相关程序开发为各种热管式反应堆的设计分析提供了重要工具。     

Fundamental Experiment of Potassium Heat Exchanger Using Principle of Heat Pipe

Abstract

In order to provide compact and reliable sodium equipments including a steam generator, performance tests are conducted with a potassium heat exchanger, which is featured by the separate construction of primary and secondary coolant systems. A small amount of potassium plays a role as an intermediate media of heat transportation between these two coolant systems. Heat is transfered by evaporation and condensation of potassium on the surfaces of the primary and the secondary coolant pipings, respectively. The tests are performed in the temperature range of 200-300°C and the maximum heat transfer reaches 1.3 kW (heat transfer rate at the primary heating source: 8.6 W/cm² at 300°C). The experimental results are analyzed by using Langmuir's and Schrage's equations and close agreement between experiment and theory is obtained.