基于不同状态方程的拟临界线计算方法及对拟临界区的划分

超临界流体在拟临界区内物性会发生剧烈变化。为建立拟临界区的划分方式，本文以超临界二氧化碳为研究对象，首先基于Van der Waals、Redlich-Kwong和Soave-Redlich-Kwong3个不同精度的状态方程分别计算获得了对应的拟临界线；然后基于连续相变理论，通过Ehrenfest方程确定了拟临界区；最后根据拟临界区划分结果，与传热退化发生的区域进行匹配，分析了不同区域内影响传热退化行为的内在机制。结果表明浮生力效应在拟临界区前和拟临界区之内对传热恶化起主导作用，流动加速效应在拟临界区之后起主导作用。     

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。     

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。     

高压下含不凝性气体的冷凝换热模型研究

少量的不凝性气体会在很大程度上削弱蒸汽凝结的热传递,现有的含不凝性气体的冷凝换热模型大都建立在理想气体状态方程的基础上,但高压条件下气体受到压缩作用,基于理想气体建立的传热模型预测值与实际值偏差较大。为建立高压下含不凝性气体的冷凝预测方法,对一体化堆安全分析提供技术辅助手段,本研究基于实际气体方程,在扩散层理论的基础上引入液膜波动因子、抽吸因子、雾化因子等修正系数,建立了高压下含不凝性气体的冷凝换热模型。本文模型和Kim试验数据进行了对比分析,改进后的模型比基于理想气体的模型预测值偏差范围更小,相对偏差大部分到±25%以内,充分体现了高压条件下模型的适用价值。     

体积法测量储氢量的状态方程研究

体积法是表征储氢量最主要的技术手段之一,状态方程能否真实描述氢气的p-V-T特性是影响测量精度的关键因素。本文基于芶清泉的物理思想,提出了状态方程新模型。从碳气凝胶储氢量测量过程中得到的实验数据出发,分别应用理想气体状态方程、范德华耳斯方程以及状态方程新模型计算间苯二酚-甲醛碳气凝胶在不同温度、压力下的储氢吸附量,分析了造成结果差别的物理原因。结果显示,利用新的气体状态方程,可明显改善体积法测量结果的可信度。     

高压条件下含有非凝结性气体的水蒸气凝结传热模型研究

研究高压条件下含有非凝结性气体的水蒸气凝结传热过程对于小型堆的安全非常重要。当前对这一物理过程的研究集中于压力较低的工况,高压条件下的研究尚不成熟。本文建立了一种适用于高压条件下含有非凝结性气体的水蒸气自然对流凝结传热理论模型,使用真实气体状态方程求解扩散方程中摩尔浓度梯度和分压梯度之间的关系,取代了前人方法中的理想气体假设。计算结果与已有的实验数据吻合较好,证明本方法可用于小型堆紧凑型安全壳和汽 气稳压器等安全级设备的热工分析。     

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。     

堆芯冷却剂流动和传热特性的数值模拟

为了模拟堆芯冷却剂的流动与传热问题，编制了一个热工水力分析程序，该程序基于多孔介质分析方法，在流体所遵循的质量守恒，动量守恒和能量守恒方程中引入体积孔隙率，有方向表面孔隙率、局部阻力和局部热源燃料棒等固体构件对冷却剂流动和传热的影响，鉴于差分格式和算法对计算精度和计算速度有较大的影响，在程序中对能量方程采用了开发的ＷＳＵＣ格式，为了使程序既适应于稳态工况及又适应瞬态工况，在算法上采用了改进的ＰＩＳ     

浮升力和流动加速效应对超临界CO_2传热影响研究

在简单自然循环回路内开展了传热实验研究,分析浮升力效应和流动加速效应对自然循环条件下超临界CO_2传热的影响,提出一个适用于自然循环工况的新传热关系式。研究结果表明:上述两种因素中浮升力效应是影响自然循环条件下超临界CO_2传热的主要因素,提出的关系式能较好地预测自然循环条件下CO_2传热特性。     

An improved equation of state for inert gases at high pressures

A hard sphere equation of state is developed in order to describe inert gas behaviour at high temperatures and/or pressures. In the low density limit it is shown to simplify to the reduced van der Waals equation of state. At high pressure the reduced van der Waals EOS is shown to be seriously in error with the limited experimental data whilst the hard sphere is in good agreement with this data. Further the use of the reduced van der Waals EOS to estimate the number of atoms in a bubble is shown to lead to an under estimate of that number, especially for small bubbles. This represents an important correction in fuel swelling and gas release calculations. Finally, the use of the hard sphere EOS in modelling fission gas behaviour during a thermal transient is shown to be a more robust estimator of the fission gas pressure in bubbles than the reduced van der Waals EOS.     

十八胺在压水堆凝汽器母管内壁碳钢表面的吸附机制研究

为研究十八胺在压水堆凝汽器母管内壁碳钢表面的吸附机制,本文主要利用分子动力学软件模拟计算十八胺在碳钢表面的吸附过程,使用无定形单元模块建立十八胺分子在金属界面的吸附模型,采用吸附模块逐层计算吸附结构,采用分子动力学模块获得稳定吸附构型。结果表明,十八胺在碳钢表面发生多层物理吸附,吸附层数随十八胺浓度的增加而增加。对吸附前后的稳定构型进行能量计算,获得了吸附自由能,发现十八胺分子的第一层吸附能主要由范德华力提供,其他多层吸附能主要由静电力提供;随着吸附层数的增加,十八胺分子自发吸附的趋势逐渐减弱。     

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。      

箭鱼形翅片微通道流动换热特性研究

超临界二氧化碳布雷顿循环是第4代核能采用的新一代热能循环系统。紧凑式微通道换热器作为超临界二氧化碳布雷顿循环的高低温回热器，其流动换热特性直接影响整体热电转化的效率。降低回热器的流动阻力，同时维持较高的换热效率是微通道换热器优化设计的重要研究内容。箭鱼形翅片微通道设计借鉴仿生学原理，理论上可显著降低流动阻力。本文以超临界二氧化碳为流动工质，建立箭鱼形翅片换热器的模型并进行三维数值模拟，分析不同排列下的箭鱼形翅片设计对换热器流动换热特性的影响。同时对箭鱼形翅片设计与传统商用折线形微通道换热器流动换热特性进行对比分析。研究分析表明，在相同雷诺数下，箭鱼形翅片微通道的努塞尔数为折线形流道的2倍，而压降仅为其1/2，所以箭鱼形翅片微通道换热器的流动换热特性明显优于折线形换热器。通过优化分析，发现箭鱼形翅片设计最优的排列间距为沿流动方向的翅片间距L_a＝8 mm，垂直于流动方向的翅片间距L_b＝6 mm。     

Flow and Heat Transfer Characteristics of Swordfish Fin Microchannel

The supercritical carbon dioxide Brayton cycle is a new generation of thermal cycle used in the fourth generation of nuclear energy. As a high or low temperature recuperator of supercritical carbon dioxide Brayton cycle, the thermal hydraulic characteristics of the compact microchannel heat exchanger directly affect the power cycle efficiency. Reducing flow resistance of the temperature recuperator while maintaining high heat transfer efficiency is an important research for microchannel heat exchanger optimization design. The swordfish fin microchannel design considering bionics theory can significantly reduce the flow resistance. In this work, the swordfish fin heat exchanger model was established with supercritical carbon dioxide fluid as the flow medium. The effect of swordfish fin design with different arrangements on heat transfer characteristics was analyzed by three-dimensional numerical simulation. At the same time, the thermal hydraulic characteristics of swordfish fin design were compared with those of traditional commercial Z-shaped microchannel heat exchanger. The results show that under the same Reynolds number, the Nusselt number of the swordfish fin microchannel is twice as much as that of the Z-shaped microchannel, but the pressure drop is only half of that. Therefore, the thermal hydraulic performance of swordfish fin microchannel heat exchanger is obviously better than that of Z-shaped heat exchanger. It is obtained from optimization analysis that the optimal pitches for swordfish fin design is that the L_a＝8 mm along the flow direction, and the L_b＝6 mm perpendicular to the flow direction.     

Redlich-Kwong equation of state for the fast breeder oxide fuel UO2

We analyse the recent vapour pressure data of the fast breeder oxide fuel UO₂ using the vapour-pressure-temperature relations derived from the Van der Waals and the Redlich-Kwong equations of state. In the latter case, we find that the agreement between the theoretical and experimental vapour-pressure data is reasonable over a wide range of high temperatures when we choose the critical temperature around 7000 K. The critical constants of UO₂ obtained from this simple equation of state lie close to those predicted by more sophisticated theories of current use. The interesting aspects of the present approach are highlighted.