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。     

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。      

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。     

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。      

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。     

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。     

格架对低流量对流传热影响的数值研究

针对带格架圆管在低流量高热流密度下的热工水力特性开展了数值研究。通过经验关联式与实验数据分别对光滑圆管内单相水低流量对流传热与格架效应进行标定,确立了基于SST k-ω模型的计算流体动力学（CFD）方法。模拟结果表明,格架下游传热特性取决于浮升力参数大小。强迫对流区与混合对流传热下降区,格架下游传热始终增强,努塞尔数呈指数衰减;混合对流传热恢复区与自然对流区,由于流场与传热的耦合作用,格架下游传热存在恶化现象,努塞尔数呈阻尼振荡。格架下游传热影响范围随着浮升力参数的增加先增大后减小。格架阻塞比越大,传热振荡越剧烈,格架致传热恶化的程度提高。该研究可为低流量堆芯内格架设计提供参考。      

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。     

在竖直圆管内向上流动过热水蒸气混合对流传热

混合对流发生在较低流动的加热（或冷却）流道内，流动由外加压力梯度和浮升力共同支配。此时，浮升力的存在使流场中切应力分布与等温流动时的有本质不同，传热和流动特性更为复杂。     

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。     

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。     

类四边形堆芯子通道内超临界水传热特性研究

基于类四边形堆芯子通道超临界水的传热试验,建立棒径为8 mm、栅距比为1.2的超临界水冷反应堆（SCWR）类四边形堆芯子通道物理模型,采用SSG湍流模型,在p=23～28 MPa超临界压力范围,研究了子通道内超临界水的传热特性,分析了压力、质量流速和热流密度等热工参数对类四边形子通道内超临界水传热特性的影响。研究结果表明：采用SSG湍流模型数值研究计算得到的内壁温度与试验结果变化趋势一致。在拟临界区,随压力的增大,相应的换热系数峰值逐渐降低。质量流速的增加,在整个焓区均能明显加强子通道内传热现象。随热流密度的增加,内壁温度逐渐升高,对应的换热系数峰值降低,同时逐渐向低焓区方向移动。     

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。     

Fluid-to-fluid scaling of heat transfer in circular tubes cooled with supercritical fluids

Experimental investigations of heat transfer at prototypical conditions of supercritical water cooled reactors (SCWRs) are strongly limited due to their huge technical and financial efforts required. One of the possible solutions is the application of model fluids, which have much lower critical pressure and critical temperature. Model fluid technique has been widely applied in the thermal-hydraulic studies of nuclear engineering. In spite of growing activities of heat transfer at supercritical conditions using model fluids, there does still not exist any reliable fluid-to-fluid scaling methods, to transfer the test data in model fluids directly to the conditions of prototype fluid. This paper presents a fluid-to-fluid scaling method for heat transfer in circular tubes cooled with supercritical fluids. Based on conservation equations and boundary conditions, one set of dimensionless numbers and the requirements of a complete scaling are determined. Scaling of pressure and temperature ensures the similarity of thermo-physical properties of various fluids. A new dimensionless number, presenting the product of the so-called pseudo Boiling number, Reynolds number and Prandtl number, is applied to scale heat flux. The distortion approach is used to scale mass flux. The scaling of heat transfer coefficient is based on Nusselt number. In addition, a new approach is introduced to validate the scaling law. The validation results show good feasibility and reasonable accuracy of the proposed scaling law. Assessment of scaling factors of various parameters indicates the high feasibility of Freon-134a as model fluid for SC water. Some guidelines can be derived for the future experimental investigations on heat transfer at supercritical pressures using model fluid techniques.     

AP1000非能动余热排出热交换器缩比C型管束二次侧传热模型实验研究

建立了非能动余热排出热交换器（PRHR HX）及内置换料水箱（IRWST）分离效应缩比实验系统,研究了PRHR HX排出堆芯余热过程中,单相自然对流阶段及两相池式沸腾阶段下的传热特性,并采用实验数据评价了传统经验关系式在预测PRHR HX缩比模型特殊C型传热管束时的适用性。实验结果表明,在PRHR HX余热排出过程中,IRWST内出现明显热分层现象。对于PRHR HX竖直管束自然对流、池式沸腾传热,传统经验关系式预测值均较为保守;对于下部水平管束,自然对流阶段推荐Churchill自然对流传热公式,池式沸腾阶段推荐Rohsenow经典池式沸腾传热公式;上部水平管束由于受到流体浮升、气泡扰动等因素的附加影响,在自然对流阶段及池式沸腾阶段的传热效果均优于下部水平管束。     

基于扩散界面法的热管毛细芯气液界面蒸发过程模拟研究

热管内毛细芯的毛细蒸发传热是其稳态运行时最主要的传热方式。通过对单个毛细芯孔隙内的毛细界面蒸发过程进行模拟,提出了单个毛细芯的膜态蒸发模型。在相场法的基础上,考虑了界面处的马拉格尼效应、热浮力效应、界面处的蒸发相变过程以及蒸汽扩散产生的反作用力,建立了从单个毛细孔内弯液面蒸发的模型。然后将模拟结果与实验结果进行对比,验证了模型的准确性。通过对界面处的蒸发进行敏感性分析,显示在三相接触线附近有一个强烈的热通量区域,该区域沿弯液面产生了较大的温度梯度,导致了表面张力梯度。该表面张力梯度与浮力效应一起在液膜中引起浮力-热毛细对流。模拟结果表明接触角和过热度对蒸发速率均有显著的影响。     

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。