竖直圆管内超临界水传热特性数值模拟

为深入研究超临界水的传热特性,利用计算流体力学（CFD）软件,完成了国际原子能机构(IAEA)关于竖直圆管内超临界水传热特性数值模拟的标准题计算,得到了与试验值符合较好的结果。通过研究发现：剪切应力输运（SST）模型可较好地反映超临界水的传热特性,但对网格敏感,需适当的网格相匹配,适当值的选取可能与超临界水所处的状态有关。这些结论对超临界水传热特性的数值模拟有指导意义。     

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。     

基于机器学习的超临界水传热恶化判定研究

为了进一步提高超临界水堆的安全稳定性,避免超临界水传热恶化的发生,在已有的超临界水传热实验数据基础之上,利用几种主要的机器学习算法,对超临界水的实验参数状态点是否发生了传热恶化进行分类判断和预测精度分析。研究表明:随机森林算法对于测试数据的平均预测精度最高,达到了97.8%左右;K近邻（KNN）分类算法的平均预测精度最低,但是也达到了90%以上。同时对各种不同的影响参数对传热恶化的选取重要度的分析可知,与传热恶化判定关系最重要的参数是比焓,其次为传热系数;与传热恶化重要度选择关系最小的是管径。      

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。     

偏心圆环通道内超临界水传热特性数值模拟

采用CFX软件,对偏心圆环通道内超临界水传热特性进行了数值模拟。选取与实验数据吻合较好的SST模型,分别研究流道偏心和壁厚偏心对圆环通道内超临界水传热特性的影响。计算结果表明：流道偏心和壁厚偏心均会引起圆环通道内温度和速度周向分布不均匀,且偏心程度越严重,周向不均匀性越强烈;超临界水独特的物性变化也会影响偏心圆环通道内周向不均匀性,从而影响传热特性。     

带螺旋肋片方环管内超临界水流动传热特性数值研究

采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法对光滑方环管和带螺旋肋片方环管内超临界水传热特性进行初步研究。计算结果表明,光滑方环管内超临界水的传热特性存在强烈的周向不均匀性;螺旋肋片的加入促使流道内出现了垂直于主流方向的二次流体,增强了流场内的搅混,强化了方环管内的传热特性,并且极大地降低了周向上的传热不均匀性,能够有效地防止局部热点的出现;另一方面,螺旋肋片的加入增加了方环管内的摩擦压降。在对超临界水冷堆(SCWR)螺旋肋片进行结构参数优化设计时,需要从传热、流场搅混、压降等几个方面综合考虑。     

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。     

垂直上升圆环形通道内超临界压力水的传热特性

在压力P=23～28 MPa、质量流速G=350～1000 kg/(m2.s)、外壁面热流密度q=200～1000 kW/m2的试验参数范围内,对垂直上升圆环形通道内超临界压力水的传热特性进行试验研究。分析q、P、G、螺旋绕丝对传热特性的影响,比较有、无绕丝结构时出现的两种传热恶化。试验结果表明:提高G或降低q都可以强化超临界水的传热;在不同的传热类型下,P对传热特性有不同的影响;螺旋绕丝具有很好的局部强化传热作用,并且可以推迟在高热流密度、低质量流速下发生的传热恶化。     

超临界水流动传热特性影响因素数值模拟研究

以计算流体力学(CFD)商业软件FLUENT为计算平台,通过进行网格敏感性分析和湍流模型比较,选取最优化的网格和最佳湍流模型,对圆管和圆环通道内超临界水流动传热特性进行数值模拟,研究通道的几何结构、特征距离lT以及水物性对超临界水流动传热特性的影响。结果表明,热力学当量直径对流动传热特性影响不大,可以忽略;水力学当量直径、特征距离lT以及水的物性都对超临界水流动传热特性有很大的影响。     

超临界压力下水在方形环腔内垂直上升的传热特性

在西安交通大学超临界传热试验台上研究了超临界压力下水在方形环腔中垂直上升的传热特性.试验压力23～25 MPa;质量流速500～1 200kg/(m~2·s);热流密度200～800 kW/m~2;工质进口温度300～400℃.试验结果表明:带绕丝固定的方形环腔结构在高质量流速低热负荷的情况下,在拟临界区域传热会得到强化,而在低质量流速高热负荷的情况下,会发生传热恶化现象;较低的超临界压力下会有更加突出的传热强化表现,但是传热恶化会提前发生,并且更加剧烈,因此较高的超临界压力意味着安全性更高.     

肋片对圆环通道内超临界水传热特性影响的数值分析

以计算流体力学(CFD)商业软件CFX为计算平台,对圆环通道内超临界水(SCW)的传热特性进行数值模拟。通过对几种湍流模型的对比,选取对超临界条件适用性相对较好的SST模型进行计算;比较光滑圆环通道与带肋片圆环通道内的壁温分布及传热系数的变化;研究肋片形状、高度、间距及宽度等因素对传热特性的影响。结果表明:圆环通道内肋片的存在会导致局部传热强化;在本文计算的尺寸范围内,肋片形状和宽度对传热的影响很小;一定范围内,增加肋片高度以及减小肋片间距都有利于传热强化。     

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。     

10 mm垂直单管通道内超临界水传热弱化现象的实验与数值分析

超临界压力下的流体因拟临界点附近物性的剧烈变化,形成了非常奇特的传热现象。因流体密度突变,在低流量下会引起强烈的浮升力作用,对超临界流体的流动和传热均有极大影响。本工作通过实验获得10 mm单管内传热弱化现象的实验数据,并采用改进的低雷诺数湍流模型,使用数值方法模拟该传热弱化现象。计算结果表明,不同于以往传统的模型会高估壁面温度,改进的低雷诺数湍流模型能较好预测实验结果。数值模拟结果还揭示了浮升力对湍流剪切应力和速度分布的影响,进而引起传热弱化和传热恢复。     

倾斜管内汽水两相流传热恶化区传热特性的研究

本文研究了φ32mm×3mm,倾角为14°和10°的不锈钢管内沸腾传热恶化特性。针对流动不均匀性,讨论了各参数沿周向分布的不均匀性,提出在整个传热恶化区域,存在两种不同的传热恶化机理,基于传热与流型有关的设想,首次采用两相折算流速来整理传热恶化数据,获得了折算流速与最大内壁超温峰值的关系曲线。实验研究证明,用两相折算流速来整理数据,不仅“浓缩”了数据,而且揭示了各运行参数间一些新的规律。     

光滑方环管内超临界水流动与传热特性数值计算研究

采用CFD数值模拟方法对光滑方环管内超临界水流动与传热特性进行初步研究。计算结果表明,光滑方环管内超临界水的传热特性存在强烈的周向不均匀性,角通道处的传热状况较窄通道处的好,角通道处的加热壁面温度低于同一截面上窄通道处的加热壁面温度。周向传热不均匀因子随主流焓的增加而增加,在拟临界点附近增长的速度最快。造成方环管内超临界水传热周向非均匀的原因主要是流道的形状。超临界水冷堆中,窄通道处最易出现传热恶化,在堆芯设计中需给予更多关注。     

水平光管内超临界水在大比热容区内的传热与交混特性数值模拟研究

对超临界压力水在管径为32 mm 3 mm、长度为8 m的水平光管内的流动和传热特性进行数值模拟研究。探讨不同压力、流量、热负荷下管内换热系数的变化特征;重点分析超临界水的交混特性,对比分析流动通道内二次流动的特性及演变规律,进而对二次流动的变化规律给出合理的解释;利用无量纲的Gr/Re2和Gr/Re2.7对交混特性中自然对流与强制对流的相对大小进行定量描述,以解释超临界水在水平管内的流动与换热特征。