超临界传热关系式的整理与评估

在超临界条件下流体升温过程中不会出现相变,所以现有的超临界传热关系式基本都是参考亚临界条件下的单相传热关系式再添加相应的修正项得到。对现有的超临界传热关系式进行分类整理,介绍各类计算方法的特点并用实验数据对各类计算方法进行了评估,结果发现Bishop和Jackson关系式的计算结果与实验数据偏差相对较小,这类关系式的计算精度稍高。     

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。     

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。     

竖直圆管内超临界二氧化碳强迫对流传热实验研究

为分析超临界二氧化碳强迫对流传热特性,开展竖直圆管内超临界二氧化碳强迫对流传热特性实验研究。实验结果表明:实验参数范围内存在明显的浮升力效应和流动加速效应;对于向上流动工况,随浮升力效应增强超临界二氧化碳从强迫对流传热过渡至混合对流传热,最后发展为自然对流传热,传热能力有弱化到逐渐恢复直至强化;对于向上流和向下流动工况,流动加速效应皆弱化传热。基于实验数据建立新的超临界流体传热关联式,在实验工况范围内95.03%的预测值与实验值偏差为±30%以内。     

高压工况下圆管内垂直向上流动沸腾CHF关系式比较研究

基于15?MPa至临界压力的圆管内垂直向上流动沸腾临界热流密度（CHF）实验数据，筛选出Katto、Bowring、Hall-Mudawar、Alekseev关系式以及CHF查询表（LUT-2006）进行比较研究，通过对预测值与实验值的误差分析，评价了各个关系式的适用性，得到了15?MPa至临界压力区间内CHF随压力的变化趋势。本研究对高压工况（≥15 MPa），尤其是接近临界区域的CHF预测具有指导意义。      

典型超临界二氧化碳强迫对流传热关联式评价分析

对不同类型的超临界二氧化碳(S-CO_2)强迫对流传热关联式进行分类整理,并基于公开发表的实验数据,对典型S-CO_2强迫对流传热关联进行评价。结果表明:传热关联式在拟临界区域预测结果与实验结果存在较大偏差,在传热退化恢复阶段预测能力较差;Dong Eok Kim和Moo Hwan Kim关联式预测结果与实验数据吻合相对较好,84.53%的预测值与实验值偏差在±30%以内。结合评价结果对典型传热关联式的结构特点进行了分析讨论。     

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。     

竖直圆管内超临界流体混合对流传热特性理论分析

理论推导了变密度引起的浮升力效应和流动加速效应对超临界流体混合对流传热特性的影响。结果表明,浮升力效应和流动加速效应通过改变壁面边界层外缘的切应力影响湍流对传热传质的贡献,进而改变超临界流体混合对流传热特性。浮升力效应通常在加热区域入口及上游区域表现明显,而流动加速效应在主流区流体温度达到拟临界温度时更显著。与实验研究结果对比发现,新建立的浮升力因子和流动加速因子可较好地预测竖直圆管内超临界流体混合对流条件下拟临界区域的局部传热特性。     

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。     

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。     

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。     

超临界水圆管传热实验的偏差敏感性分析

从敏感性的角度分析超临界水在拟临界区特殊的物性变化对于壁温偏差的放大作用。首先以超临界传热公式为例讨论换热系数对热工参数的敏感性,然后以超临界圆管实验为例,讨论对称布置的热电偶测量到的壁温偏差在拟临界区的放大效果。分析表明:拟临界区的物性因素可能使圆管的周向均匀性特征不再满足,这是造成传热公式分散性的可能原因之一。     

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。     

超临界流体管内对流换热模化分析

在超临界流体管内对流换热数据库的基础上,对近年来针对超临界流体管内换热的不同模化方法进行分析,提出了修正的Cheng等模化准则,并进行实验数据验证。结果表明：采用周强泰的传热关系式中的指数,并取平均性质的普朗特数后,得到的修正的Cheng等模化准则精度更高,不同超临界流体间传热的模化符合较好。     

超临界二氧化碳细管喷放临界流特性研究

以处于超临界状态的二氧化碳为工质,开展了泄压喷放及临界流实验研究,获得了上游滞止参数、喷管长径比对临界流量影响的实验数据和趋势规律,基于实验数据提出了超临界二氧化碳临界流量预测关系式,并进一步利用公开文献中其他研究人员的实验数据对关系式进行了评价,预测值与实验结果偏差在±15%以内,表明本文提出的预测关系式能对超临界二氧化碳临界流量进行较好预测。     

界面切应力对垂直圆管内回流冷凝传热的影响

本文在分析压水堆小破口失水事故中蒸汽发生器回流冷凝传热机理的基础上，针对界面切应力的影响，修正了Ｎｕｓｓｅｌｔ冷凝传热模型，并成功地编制了计算程序，获得了多种工况的传热计算结果。本文为反应堆小破口事故中回流冷凝的模拟提供了理论依据。     

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。     

不同状态方程对超临界二氧化碳强迫对流传热中流动加速因子的影响

明显的流动加速效应对超临界二氧化碳强迫对流传热有重要影响。流动加速因子是表征流动加速效应强度的重要无量纲数，在建立流动加速因子过程中需要用到二氧化碳状态方程。理论分析了选取理想气体状态方程和van der Waals方程对建立的流动加速因子合理性的影响，并结合实验数据进行了评估。结果表明，基于van der Waals 方程建立的流动加速因子可以较好地预测流动加速效应引起的传热恶化区域，而基于理想气体状态方程建立的流动加速因子与实验结果存在较大偏差。分析表明体积膨胀系数和体积压缩系数反映了流动加速现象的本质，以体积膨胀系数和体积压缩系数来建立流动加速因子更合理。      

三角布置棒束内超临界水传热实验研究

在超临界水多功能实验装置上开展了三角布置棒束内超临界水流动传热实验研究,通过实验观测到了通道内棒束周向温度分布不均匀现象和定位格架导致的传热强化现象,获得不同热流密度、质量流量及压力范围内的传热实验数据,拟合得到预测偏差为±15%的三角布置棒束超临界水传热关系式。      

超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环变工况特性分析

超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环是高效紧凑的能量转换方式。目前许多研究在分析循环的特性时,常假设压缩机和透平的效率为恒定,该假设与实际情况差别很大。本文使用MODELICA作为工具,建立了超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环模型。对于压缩机和透平,加入了真实压缩机和透平的特性曲线模型。通过模拟计算发现,循环输入功率和循环流量的改变将对循环火用效率和各组件的火用损产生影响。循环偏离设计工况时,适当控制输入功率和循环流量可调节循环输出功率和火用效率。