垂直圆管内超临界R134a对流传热实验研究

为研究超临界压力下的对流传热特性,对超临界压力氟利昂R134a在内径25 mm垂直圆管中的受热上升流动传热进行了实验研究,获得压力4.5 MPa和4.7 MPa、质量流速G=400~700 kg/(m2·s)、热流密度q=30~60 k W/m2的实验数据,对换热强化和传热恶化的规律和特性以及其影响因素进行了分析。结果发现,在拟临界区附近,超临界压力R134a出现明显的强化换热现象。在低质量流速或高热流密度下发生传热恶化,其恶化边界为q/G0.06 k J/kg。在特定的工况下观察到两次传热恶化:第一次发生在临近入口区域,在不同流体入口温度下均观测到恶化;第二次发生在远离入口区域,仅在一定流体焓值范围内存在。实验参数敏感性分析表明,传热强化随质量流速的增加、热流密度的减小、压力的降低而增加,而传热恶化则相反。     

带绕丝2×2棒束超临界水传热实验研究

针对两流程带绕丝定位的2×2棒束实验本体,开展了超临界水的流动传热实验研究。实验结果表明,在带绕丝的2×2棒束中,同一横截面上存在显著的周向温度不均匀现象。在较小的G/q工况下出现传热恶化现象,且存在二次恶化现象。由于绕丝的搅混作用,流道下游的传热恶化得到抑制。实验表明,棒束传热规律与单管类似,对比结果指出Bishop等（1964）的计算公式能较好地预测实验结果。同时与不带格架的2×2棒束相比,绕丝具有强化传热的作用。     

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。     

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。      

简单通道内超临界水传热特性实验研究

针对各国超临界水冷堆燃料组件设计方案,选取圆管、圆环形通道、方环形通道3种具有热工水力代表性的简单通道,开展超临界条件下水工质的传热特性实验研究。实验结果表明,热流密度、质量流速和压力3种热工参数对不同简单通道传热特性的影响趋势基本一致;在相同质量流速和压力下,换热系数在靠近拟临界温度处存在峰值,且随热流密度的增大而减小;在相同热流密度和压力下,相同主流体焓处对应的换热系数随着质量流速增加而增加;压力对超临界水传热特性影响较弱,仅在拟临界区域内换热系数峰值稍有不同;实验中出现了拟临界区域的传热恶化现象,传热恶化发生时壁温出现局部峰值。     

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。     

快堆蒸汽发生器沸腾传热恶化引起的热应力计算和分析

快堆管壳式直流蒸汽发生器发生沸腾传热恶化是不可避免的,由此引起的传热管管壁温度波动会使传热管受到疲劳破坏。研究蒸汽发生器的沸腾传热恶化及热疲劳破坏的实验昂贵,难度较大。本文依据国外已发表的实验结果,建立蒸汽发生器沸腾传热恶化发生时传热管管壁温度及热应力的分析模型,应用数值方法求解,对蒸汽压力、质量流速、钠汽温差变动的影响进行了讨论并给出了主要结论。     

管内超临界二氧化碳强迫对流传热浮升力效应数值研究

基于实验数据对管内超临界二氧化碳强迫对流传热中浮升力效应进行了数值研究。研究表明:较低质量流速和较高热流密度工况下,浮升力作用明显,进而引起流道径向和轴向速度重新分布,浮升力较强时甚至出现径向M形速度分布;当M形速度分布对应的零速度梯度点出现在粘性底层边缘时会明显弱化湍流的生成和扩散,引起传热恶化。基于实验工况的拓展计算表明:降低壁面热流密度、增大质量流速以及提高入口温度可以不同程度地缓解浮升力效应引起的传热恶化。     

绕丝对超临界流体热输运影响的CFD分析

高性能轻水反应堆（HPLWR）采用超临界水（SCW）作为冷却剂。在临界和拟临界点附近,这类超临界流体的热物性将遭受剧烈的变化,文献[1】和【2】报道了此类流体而致的正常传热、强化传热和传热恶化。大量的数值研究已经证明了以CFD方法为基础的雷诺平均纳维斯托克斯（RANS）在计算超临界二氧化碳（SC—CO2）和超临界水（SCW）热输运方面的能力。本文描述了绕丝对SC—CO2传热的影响。第一步,本文选取不带绕丝的环形通道内的SC—CO2流动作为研究对象,韩国原子能研究院（KAERI）曾在某次实验中采用过此类实验本体。质量流密度为400kg／m2、内管或棒热流密度为120kW／m2下的计算发现局部非常高的内壁温度,这种现象的出现可能是受到传热恶化的影响。第二步,在出现传热恶化的区域,有意识地在环形通道内圆柱体外表面引入正方形和半圆环形丝或障碍物。分析表明,通过增强环形障碍物后部的湍流生成,传热恶化现象得到了一定程度的缓解。尽管如此,研究还发现环形障碍物的形状对传热恶化的前部区域几乎没有影响。最后,分析了环形窄缝通道内圆柱螺旋绕丝对传热恶化的影响,结果表明,螺旋绕丝极大程度地缓解了传热恶化的影响。与光滑棒体相比,螺旋绕丝对强化传热的积极影响应归结于较高的湍动能生成,这也可以通过对燃料棒计算流线的分析推断得到,由此表明了绕丝对沿丝流动的扫掠效应。     

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。     

Heat transfer to a supercritical pressure fluid flowing in sub-bundle channels

Supercritical pressure water cooled reactor (SCWR) has been regarded as an innovative nuclear reactor. For the design and development of the SCWR, heat transfer performance under supercritical pressure is one of the most important indicators. In this paper, experimental data are presented on the heat transfer to a supercritical pressure fluid flowing vertically upward and downward in a small diameter heated tube and two sub-bundle channels with three heater rods and seven heater rods, using HCFC22 as the test fluid. Downstream of grid spacer for the sub-bundles, heat transfer enhancement was observed in the upward flow, but not in the downward flow. The enhancement was remarkable especially when the heat transfer deterioration occurs in the fully developed region unaffected by the spacer. The heat transfer correlation for the downstream region of the spacer was developed in the normal heat transfer of sub-bundles. In the fully developed region for the sub-bundle, occurrence of the heat transfer deterioration was suppressed or degree of the deterioration was moderated. At high mass velocity for downward flow in the seven rod sub-bundle, oscillation of heat transfer was observed in the region of the enthalpy over the pseudocritical point.     

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。     

Numerical investigation of acceleration effect on heat transfer deterioration phenomenon in supercritical water

It is important to understand the heat transfer deterioration (HTD) phenomenon for specifying cladding temperature limits in the fuel assembly design of supercritical water-cooled reactor (SCWR). In this study, a numerical investigation of heat transfer in supercritical water flowing through vertical tube with high mass flux and high heat flux is performed by using six low-Reynolds number turbulence models. The capabilities of the addressed models in predicting the observed phenomena of experimental study are shortly analyzed. Mechanisms of the effect of flow structures and fluid properties on heat transfer deterioration phenomenon are also discussed. Numerical results have shown that the turbulence is significantly suppressed when the large-property-variation region spreads to the buffer layer near the wall region, resulting in heat transfer deterioration phenomenon. The property variations of dynamic viscosity and specific heat capacity in supercritical water can impair the deterioration in heat transfer, while the decrease of thermal conductivity contributes to the deterioration.     

涡流发生器对超临界CO_2传热和流阻性能影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法,对布置有不同结构参数小尺度涡流发生器的矩形槽道内超临界流体的传热特性进行了研究。分析了涡流发生器所诱导的纵向涡对超临界流体传热影响的内在机理。结果表明,斜截半椭圆柱涡流发生器对超临界CO_2传热恶化现象具有明显的抑制效果,而对于超临界CO_2非传热恶化现象的影响并不明显。超临界CO_2发生传热恶化现象时,涡流发生器下游的局部壁面剪切应力与传热系数的变化趋势相同,传热恶化现象会造成壁面剪切应力显著增大。研究还发现,涡流发生器的结构参数对于超临界流体传热现象存在明显影响。     

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.     

基于加速度效应的超临界水传热特性模型研究

超临界水冷堆（SCWR）运行在水的热力学临界点（22.1 MPa,374℃）之上,堆内冷却剂处于超临界状态,物性变化剧烈,与常规压水堆临界热流密度（CHF）导致包壳表面壁温飞升不同,超临界压力下的传热恶化是在变物性的影响下使得包壳表面温度相对缓慢上升,传统的热点判定方法和偏离泡核沸腾比（DNBR）限值等传热特性分析方法不再完全适用,因此,预测超临界水传热恶化时包壳壁温对SCWR的安全分析相当重要。本文基于边界层方程推导了超临界水传热关系式的加速度效应修正项,基于圆管实验数据,对加速度效应修正项的相关系数进行拟合获得超临界水传热特性半经验关系式,通过数据对比,该关系式在正常传热和传热恶化工况下均具有较好的适用性。本文获得的超临界水传热特性半经验关系式可为SCWR堆芯设计分析提供支持。      

Numerical simulation of heat transfer deterioration phenomenon in supercritical water through vertical tube

In this study, a numerical investigation of heat transfer deterioration (HTD) in supercritical water flowing through vertical tube is performed by using six low-Reynolds number turbulence models. All low-Reynolds models can be extended to reproduce the effect of buoyancy force on heat transfer and show the occurrence of localized HTD. However, most k–ε models seriously over-predict the deterioration and do not reproduce the subsequent recovery of heat transfer. The V2F and SST models perform better than other models in predicting the onset of deterioration due to strong buoyancy force. The SST model is able to quantitatively reproduce the two heat transfer deterioration phenomena with low mass flux which have been found in the present study.     

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。