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。     

浮升力效应和流动加速效应对超临界二氧化碳传热影响理论分析

从边界层基本特性出发,分析了拟临界区强变物性导致的浮升力效应和流动加速效应对近壁面区域超临界二氧化碳传热特性的影响机理,基于受力分析推导得到了2种效应作用下的超临界流体传热弱化起始点理论判据。研究结果表明,对于加热工况竖直向上流动,浮升力效应和流动加速效应均会导致近壁面区域切应力减弱,进而影响近壁面区湍流的生成与扩散,最终导致传热弱化;2种效应作用下传热弱化起始点判据分别为浮升力因子Bu=1.16×10-5和流动加速因子Ac=2.91×10-6,上述阈值与实验结果吻合良好。      

竖直圆管内跨临界压力区水对流传热数值模拟研究

应用CFD方法对跨临界压力区竖直圆管内水的对流传热进行了数值模拟研究。通过与实验结果比较,分析了浮升力因素的影响机理。研究结果表明,采用浮升力修正的k-ε两方程湍流模型可准确预测跨临界压力区正常对流传热现象。当流体温度达到拟临界点,尽管该模型可预测传热恶化现象,但与实验数据偏差较大,在水热物性及数值模型等方面有待进行更深入研究。     

超临界压力CO2在垂直管内对流换热数值模拟

对于超临界压力CO2在垂直圆管(din=2 mm)内高进口雷诺数(Re=9 000)条件下向上流动时的对流换热进行了数值模拟.通过与实验数据进行对比来验证湍流模型的可靠性,并研究变物性和浮升力对壁面温度和湍动能的影响.结果表明:在热流密度较高的情况下,向上流动时出现了局部换热恶化和换热强化现象,这主要归因于浮升力对湍动能分布的影响;采用LB湍流模型能较好地模拟这种换热现象;在热流密度较低的情况下,未出现上述换热现象.     

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。     

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。     

强浮升力作用下超临界流体对流换热的湍流模型研究

针对湍流模型中浮升力相关项的模型进行了比较分析,在此基础上进行了一系列修正;最后,分别使用修正的模型和传统模型计算了超临界压力下的对流传热,并将计算结果与实验数据进行了比较.结果表明,修正的湍流模型能比较准确地模拟浮升力项,从而使计算得到的壁温与实验数据、DNS数据符合较好;而传统模型计算得到的壁温比实验数据、DNS数...     

竖直空气射流对氦气层侵蚀行为的数值模拟

核电厂在严重事故时会有大量氢气释放到安全壳中,为研究氢气在安全壳内的分层、混合、复合等复杂现象,OECD发起了SETH-2项目。在SETH-2框架内,PANDA实验台架上进行的ST1_7_2实验利用氦气替代氢气,来模拟竖直空气射流对氢气层侵蚀的过程。本文使用CFD技术对该实验进行了数值模拟,并分析了浮升力湍流模型以及不同湍流Schmidt数对模拟结果的影响。研究结果表明：数值模拟较好地再现了实验的侵蚀过程,但射流的侵蚀速率小于实验的侵蚀速率;使用不考虑浮升力的湍流模型进行模拟的结果显示,氦气层迅速被空气射流稀释,与实验现象不符,表明在定义湍流模型时必须考虑浮升力;不同湍流Schmidt数对ST1_7_2实验的数值模拟结果存在一定影响,但影响不大。     

加热上升混合对流传热实验研究

在加热上升混合对流中,浮升力的存在显著改变了速度分布和切压力分布,使边界层趋于层流化和充分发展湍流起始点的延后,并使传热系数表现出由弱化、恢复再强化的过程。本研究在中压下不同直径的竖直加热圆管上进行了纯蒸汽的强迫对流传热实验,也在超临界压力下不同直径的加热圆管上进行水的强迫对流和自然循环传热实验。研究表明:随着浮升力参数的增大,传热逐渐弱化;在浮升力参数达到一定值时传热系数达到最小值,随后逐渐恢复,并最终出现强化。在实验数据基础上提出了加热上升混合对流的传热关系式。     

棒束通道内混合对流传热实验研究

以自然循环下堆芯内可能会发生的低流量传热为研究背景,对5×5棒束通道内的混合对流传热现象进行了实验研究。实验压力为6 MPa, 质量流量为25~150 kg/(m2·s),热流密度为25~300 kW/m2,实验雷诺数Re为1000~30000,浮升力参数Bo*为2×10-7~3×10-3。实验发现,随着Bo*的增大,棒束通道内传热产生先弱化后强化的趋势。浮升力对棒束通道内传热造成影响的起始点为Bo*=3.5×10-6,当Re >15000时,浮升力依然可对传热造成弱化现象。基于实验数据,提出了适用于棒束通道的混合对流经验关系式。      

带格架四棒束超临界水流动传热数值分析

棒束内超临界水流动传热是超临界水堆堆芯热工水力研究的重要内容,但对其认识还十分有限。本文针对四棒束内超临界水的流动传热现象开展数值模拟,特别分析了定位格架对棒束通道内流动和传热的影响。结果表明,采用SSG湍流模型计算所得到的棒束壁面温度和实验结果吻合良好,定位格架的存在影响下游流体的速度分布,显著提高格架下游的传热特性,交混系数有大幅上升,使得加热棒周向壁面温度分布更加平均,最高温度出现位置发生改变。     

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.     

超临界CO2在螺旋管中的流动换热特性研究

超临界蒸发器应用到核电中,可大幅提高机组的热效率。超临界压力流体的热物性在准临界温度附近变化非常剧烈,会对其流动和换热产生很大的影响。研究超临界压力流体在螺旋管内的流动和换热规律,有利于对超临界螺旋管蒸发器的设计。本文采用RNG k-ε和SST k-ω模型对超临界CO₂在螺旋管中的流动换热情况进行了数值模拟,发现SST k-ω模型模拟结果与实验结果符合得更好。基于此模型,分析了不同进口质量流速及不同热流密度对管壁温和换热系数的影响,发现随着质量流速的减小、热流密度的增加,峰值向远离h_pc的一侧偏移。最后讨论并分析了周向壁温和换热系数的分布情况,发现壁温在φ＝315°处最高,需在实验操作或实际运行中加以监控,以保障螺旋管蒸发器的安全运行。     

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。     

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.     

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。     

管道倾斜角度对超临界CO2管内换热特性的影响

在恒热流加热工况下,对超临界CO₂在不同倾角的微细圆管内混合对流换热进行了数值模拟。采用FLUENT软件分析了不同倾角时管内截面温度、轴向速度、二次流、上母线传热系数、周向壁面温度和Nu_w的变化规律,并引入相对二次流动能定量表示二次流强度。研究发现：倾斜管内顶部流体温度高于底部,周向Nu_w在底部高于顶部,速度分布不是中心对称且其峰值出现在管中心轴线下侧;浮升力引发的二次流先增大后减小,且在靠近入口处达到峰值;倾斜管内上母线温度高于下母线,上母线传热系数在拟临界温度附近达到峰值。通过水平管中浮升力判据,得到了浮升力对对流换热的影响规律。     

超临界水四棒束传热数值分析

超临界水冷堆(SCWR)开发的关键是棒束内超临界水(SCW)的热工水力特性。本文针对超临界水四棒束流动传热实验进行CFD数值模拟,SSG湍流模型的计算结果与实验结果吻合良好。分析结果表明,流动方向对棒束截面内流量分布有显著影响。与下降流相比,尽管上升流时棒束间流动搅混较弱,但上升流时棒束截面流量及壁面周向温度分布更加均匀,加热棒壁面温度更低。可见,棒束横截面上的流量分布是影响加热棒壁面流动传热的主要因素。