骨架发热多孔介质内单相水流动传热实验研究

针对骨架发热多孔介质内单相水流动阻力和传热特性开展了实验研究,拟合获得骨架发热多孔介质内热态流动阻力和对流换热关系式。实验参数范围是:雷诺数Re取127～394,表面热流密度12～62 kW/m2。实验结果表明:在本文研究的孔隙有效雷诺数范围内,惯性项阻力系数Rf受流动参数影响;基于骨架发热条件下获得的阻力关系式具有较好的扩展性,可以较好地预测骨架不发热条件下多种几何结构的多孔介质通道内单相水、单相蒸汽流动阻力;随着表面热流密度增大,对流换热系数不断降低;在相同热流密度条件下,随着质量流速的增大,对流换热系数也会随之增大。     

高雷诺数条件下超临界压力CO2在垂直圆管内换热特性的实验研究

对超临界压力CO2在高雷诺数条件下的垂直圆管(d＝2 mm)内向上流动时的换热特性进行了实验研究,分析了热流密度、质量流量、进口温度、压力、浮升力和热加速等因素对壁温和换热的影响.实验结果表明:热流密度比较高的情况下,向上流动时会出现局部换热恶化现象;质量流量的提高会消除或推迟换热恶化的发生;不同的进口温度对换热能力有很大的影响;压力的提高会降低换热恶化的程度.     

含内热源多孔介质内流动不稳定起始点特性研究

针对多孔介质内流动不稳定起始点特性进行了实验研究。研究结果表明：热流密度越大,系统稳定性越弱;入口过冷度对系统的稳定性影响呈非单调性变化。对实验数据进行回归处理,提出了含内热源多孔介质内不稳定起始点的计算公式。     

含内热源球床通道换热特性实验研究

针对含内热源球床通道内的换热情况,采用电磁感应加热方式对由直径为3 mm、8 mm表面氧化不锈钢球组成的球床通道分别加热,研究球床通道内部的换热特性。通过对实验数据对比分析,得到球床通道内的功率分布情况和换热系数随热流密度、颗粒直径、工质Re的变化规律,并根据实验数据拟合得到球床通道平均换热系数的无量纲准则关联式。拟合结果与实验结果误差在15%以内,符合良好。     

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。     

强内热源球床通道单相对流换热特性实验研究

球床水冷反应堆的堆芯为球形燃料元件堆积成的多孔通道,具有显著的强化换热作用。球床通道内的孔隙因具有多变性、随机性的特点,换热情况非常复杂,相关研究较少。为了研究含内热源球床通道内的换热特性,本文用直径为8 mm碳钢球堆积形成球床,以蒸馏水为工质,采用电磁感应加热方式对球床进行整体加热,研究球床通道内部的换热特性。通过对实验数据进行分析,得到了球床通道内部的功率分布和换热系数随热流密度、工质Re的变化规律,根据实验数据拟合得到了球床通道内平均换热系数的无量纲准则关联式,拟合结果与实验结果的相对偏差在12%以内,符合良好。     

整体加热球床通道内流动过冷沸腾起始点的实验研究

以新概念球床水冷反应堆为背景,对含内热源球床通道中流动过冷沸腾起始(ONB)点的相关特性进行实验研究。选用直径8 mm的表面氧化碳钢球形成随机堆积床,利用电磁感应技术对球床整体加热,研究孔隙质量流速G、工质入口温度Tin和轴向测量位置对ONB点热流密度qONB的影响。实验结果表明,当热流密度q增加到一定值时,壁温Tw随热流密度q的变化曲线会出现拐点,此拐点即为含内热源球床通道内流动ONB点;qONB随G的增加而增大,随Tin的升高而减小;越靠近球床通道出口,qONB越小。导出了计算含内热源球床通道内qONB的无量纲准则关系式,预测值与实验值的偏差在±20%的范围内。     

均匀加热窄通道内环状流液膜厚度和换热系数的预测模型

为探究窄矩形通道内环状流的流动传热特性,根据液膜的质量、动量和能量方程以及汽芯的动量方程建立了环状流的预测模型。对该模型进行数值求解,得出了窄矩形通道内环状流区域的沸腾换热系数,并分析了热流密度、质量流速和矩形通道尺寸对液膜厚度的影响。结果表明:该模型能很好地预测沸腾换热系数,其误差在±30%以内,且热流密度和矩形通道的尺寸对液膜厚度的影响效果比较大。     

局部非热平衡条件下含内热源多孔介质方腔内自然对流数值研究

在流体与固体骨架有效导热系数比一定的条件下,采用局部非热平衡模型与非达西流动模型,研究Ra和Da对含内热源多孔介质的方腔内自然对流流动换热特性的影响。计算结果表明:当Ra取定值,流体平均Nu随Da的增大而增大;当Da取定值,流体平均Nu随Ra的增大而增大。在文中参数的变化范围内,固体相与方腔4个壁面的换热强度相当,且变化较小。方腔左右两壁面流体相换热强度相同,但均弱于上壁面换热强度,下壁面流体相换热强度最低。无量纲容积换热系数较小时,非热平衡效应影响较大。     

骨架发热多孔介质竖直通道内强制对流换热数值研究

采用局部非热平衡模型,在层流范围内对骨架发热多孔介质竖直通道内的非达西强制对流换热进行了数值研究.采用Forchheimer-Brinkman拓展Darcy模型描述多孔介质内的流动,详细研究了表观雷诺数Re(0.5≤Re≤50),有效导热系数比Γ(0.001≤Γ≤1.0)和Da(10-3≤Da≤10-5)变化对多孔介质流道内流动换热的影响.计算结果表明:Re、Γ和Da变化对流道内流动换热影响显著;当Re、Γ较小而Da较大时,多孔介质流道内局部非热平衡效应明显,必须采用局部非热平衡模型才能对流道内的对流换热特性进行合理准确的预测.     

余热排出系统中的热管设计及传热性能研究

本文建立了单根热管的优化设计流程及其传热传质数学物理模型,考虑热管的工作环境,对用于核反应堆非能动余热排出系统中热管换热器的热管进行了完整的优化设计和传热特性分析。分析表明：复合型吸液芯热管满足余热排出系统的传热需求,其传热功率主要受热管毛细极限、沸腾极限及总热阻的影响。相同吸液芯厚度下,复合型吸液芯热管的毛细极限较单一丝网吸液芯热管的毛细极限提高100%～700%。改变热管的外径或吸液芯厚度,即蒸气腔直径减小,沸腾极限明显减小。当单根热管传热功率大于1 kW时,热管各段长度分别为0.4、0.2、0.4 m,外径为30 mm,吸液芯是厚度为2 mm的400目+50目复合型丝网结构。本文为高性能的热管换热器设计及传热特性分析提供了理论支撑。     

高热流密度电加热元件

本文论述了用于液态金属钠热工水力性能研究的高热流密度模拟电加热元件的结构特点、材料选择、热电偶设置及其他与棒束传热实验研究有关的问题。     

非能动余热排出换热器换热能力数值分析

基于多孔介质模型,对AP1000非能动余热排出换热器(PRHR-HX)运行初始阶段进行了数值模拟。一回路的入口温度及流量采用RELAP5的计算结果,并以此作为CFD计算的边界条件。采用多孔介质模型处理C型管束区,添加管束区分布阻力。通过商业CFD软件FLUENT计算得到安全壳内置换料水箱(IRWST)侧冷却剂的三维温度及速度分布,通过用户自定义函数UDF完成一回路侧与IRWST侧的耦合换热计算,获得一回路温度分布及换热量。计算结果表明,随着IRWST内冷却剂温度升高,换热器热负荷降低,并出现明显的热分层现象,同时证明采用多孔介质模型与耦合换热计算是分析PRHR/IRWST系统瞬态热工水力特性的有效方法。     

非能动余热排出换热器冷凝换热性能研究

以浸没在高位水箱中的竖直管束为研究对象,对不同热负荷条件下竖直管束内冷凝换热特性进行研究,通过对比中心管与周围旁管的凝液增长率以及冷凝换热热阻,分析了中心管与旁管换热特性的差异,解释了低压条件下冷凝换热系数剧烈下降现象。将管束冷凝试验数据与已有单管试验数据对比发现,在相同蒸汽工况下,单管的冷凝换热系数与旁管的冷凝换热系数吻合较好,但远低于中心管的冷凝换热系数,说明中心管的换热性能相对于旁管确实得到了强化。通过对比换热系数的试验值与经典努塞尔理论和努塞尔修正理论的计算值发现,中心管的试验值与努塞尔修正理论计算值吻合较好,但旁管的偏差较大。     

基于热管技术的非能动余热排出系统换热能力研究

分离式热管技术在工业领域已有应用,多用于余热回收锅炉等节能领域,具备加热面和冷却面完全分离、冷热源完全隔离且换热效率高等优点。结合分离式热管的工作特性开展了基于热管技术的非能动余热排出系统的理论设计,并基于系统程序对设计方案进行了分析论证,研究了不同充液率、冷热芯位差以及蒸发段和冷凝段面积比等系统条件下的热管传热能力,得到了各参数对热管性能的影响规律,并给出了推荐的适用于非能动余热排出系统设计的参数范围和方向。在本文计算范围内,充液率大于0.7后传热功率明显下降,零位差下系统仍能建立稳定循环,面积比在1.0~2.5范围内变化时,热管功率随面积比线性增大。      

杆式支撑换热器换热的数值模拟

采用数值模拟方法研究杆式支撑换热器．可以克服实验研究方式的不足。利用相似理论确定数值模拟模型,分析了各结构参数变化对换热器传热和流动性能的影响．利用最小二乘法．进一步回归出杆式支撑换热器层流下的传热和流动阻力的准数关联式．设计,建造了一套可变结构参数的杆式支撑换热器热模实验装置．在壳程单排管间布杆或双排管间布杆、不同流速和不同折流栅结构参数情况下测得了100个实验值．将实验测量值和计算值进行了比较。结果表明：数值模拟计算的Nu值和△p值与实验测量值吻合很好,由实验数据回归得到的传热和流动阻力无因次准数关系式与数值模拟程序计算得到的准数关系式也吻合较好．显示出数值模拟方式进行换热器研究的显著优点.     

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。     

中间换热器的传热和阻力特性

中间换热器在高温气冷堆氦气透平间接循环发电系统中是耦合高温气冷堆和氦气透平的关键部件,承担着将高温气冷堆中高温氦气的能量传递到氦气透平回路的任务.中间换热器给氦气透平的设计和运行维护带来方便,但它的传热与阻力性能不可避免地影响循环效率,因此,中间换热器的设计和选型需综合考虑传热效率、压力损失、材料性能和紧凑度等因素.本文介绍了印制板式换热器(PCHE)的主要特点,分析了它在间接循环系统中应用的可行性,重点研究了该中间换热器的传热和流动阻力特性,以及影响PCHE换热效率和压力损失的主要因素.在此基础上,提出了优化中间换热器传热和阻力特性的途径和方法.     

欠热条件下非能动余热排出热交换器传热试验数值模拟

针对大型先进压水堆非能动余热排出热交换器设计和安全分析计算模型存在的重要缺陷,以AP1000的非能动余热排出热交换器为原型,采用3根C型管进行了非能动余热排出热交换器传热试验。然后采用流体计算软件对欠热试验工况进行了数值模拟,通过多次计算得到了传热管外传热计算可采用的传热关系式,选取的传热模型下的计算结果与试验结果符合较好。利用传热模型验证了AP1000的设计工况,发现AP1000非能动余热排出热交换器的设计能带走堆芯余热。本文研究可为大型先进压水堆设计和安全分析提供技术支撑。     

空间堆热管输热能力分析

为保证空间堆的传热安全,空间堆热管必须工作在各种传热极限以下,并能满足避免单点失效的安全要求。本文建立了空间堆热管黏性极限、声速极限、携带极限、沸腾极限和毛细极限5种传热极限计算方法,并改进了毛细极限计算模型。利用建立的方法计算了分段式热电偶转换的热管冷却空间堆电源系统堆芯锂热管、辐射散热器钾热管和碱金属热电转换的空间堆电源系统堆芯钠热管的传热极限。结果表明,空间堆用锂热管和钠热管的毛细极限分别为25.21kW和14.69kW,钾热管的声速极限为7.88kW,其传热设计冗余量分别大于19.4%、23.6%和43.2%。空间堆堆芯热管在正常运行时限制其热量输出的传热极限为毛细极限,而限制散热器钾热管正常运行时热量输出的传热极限为声速极限。