超临界水拟临界点的热膨胀系数计算研究

在临界点附近时,超临界水的热膨胀系数很大,随着压力的升高,拟临界点的热膨胀系数迅速下降,拟临界点的热膨胀系数是计算临界相变转换数的基础,对于分析超临界压力下的流动不稳定性非常重要。因此,计算超临界水在拟临界点的热膨胀系数,对于了解和掌握超临界水堆中能量的转换或热量传递非常重要。运用MATLAB曲线拟合工具箱,对超临界水的拟临界点的膨胀系数进行了拟合回归分析。拟合得出了超临界水的拟临界点的热膨胀系数的计算公式。该公式具有结构简单易于计算的特点,最大绝对误差为0.20 K-1,最大的相对误差为0.19%,计算精度满足工业研究与分析的要求。     

矩形回路内超临界水稳态自然循环特性数值分析

采用计算流体力学(CFD)方法对简单矩形回路内的稳态自然循环进行数值模拟研究,并对超临界条件下的重力压降计算方法进行评估分析。结果表明,稳态自然循环流量随加热功率的变化,加热段出口流体温度在拟临界点附近时出现最大值,该最大值随加热段入口流体温度的增加而减小;加热段的温度整体上升并向拟临界区移动时,加热段进出口间的密度差、速度差趋于增加,而压降趋于减小。重力压降计算方法评估表明,Ornatskiy与Razumovskiy所推荐的公式在计算较长管道(2 m)内重力压降时结果偏小,最大偏差接近-30%,辛普森公式可以较好地计算较长管道内的重力压降,可用于处理实验数据。     

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。     

7棒束超临界氟利昂流体流动传热数值分析

超临界水冷堆相对目前压水堆具设备简化、热效率高等显著优点,而相关实验研究公开资料受到研究成本和实验技术限制相当有限,数值分析在超临界流动传热方面的应用逐渐广泛却缺乏相应的实验数据验证。在7棒束内超临界氟利昂流体流动传热实验的基础上,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件STAR-CCM+、子通道软件COBRA-SC分别对三种典型工况的流动传热进行数值分析。对壁面温度的预测结果表明,流体温度低于拟临界点条件下,STARCCM+的计算结果低于实验值,温度误差在8%内;流体温度高于拟临界点条件下,STAR-CCM+的计算结果高于实验值,温度差值在16%内。改造后的COBRA-SC程序计算得到的典型通道流体温度与STAR-CCM+结果一致,且COBRA-SC的计算对壁面温度做出了十分接近于实验值的预测。研究表明,STAR-CCM+和COBRA-SC均能对棒束内超临界流体流动传热做出了较好的趋势预测,但对于流体温度跨越拟临界点温度条件下的模型需要进一步完善。     

离心式上充泵小流量工况转换瞬态流动特性

为研究核电站离心式上充泵由上充工况向小流量工况转换运行过程中的瞬态流动特性,基于RANS方程和RNG k-ε湍流模型,采用商业软件CFX对其进行定常数值模拟,并通过试验验证了数值计算方法的正确性。在此基础上,继续对该瞬态过程进行数值计算,得到上充泵内部流动瞬态压力及速度的变化规律。结果表明：在由上充工况向小流量工况转变过渡过程中,叶轮、导叶、出口涡壳的流道内压力有不同程度的上升趋势;在瞬态转变过程中,随着流量的减小,上充泵内部漩涡范围增大,流动形式也愈来愈差,导致压力和速度波动幅值增大;由于动静干涉影响,叶轮与导叶交界面附近监测点的压力和速度波动程度高于其他监测点的波动程度,双蜗壳流道内圈的波动高于外圈的波动。     

超临界水拟临界区的物性变化对传热特性的影响分析

超临界水的拟临界区是物性的剧烈变化区,对超临界水的流动传热具有重要影响,这个区域的物性数据直接影响到数值计算的可靠性。本文基于2个超临界实验工况利用FLUENT计算流体力学软件,分析超临界水在拟临界区的物性数据对传热特性数值计算结果的敏感性,并基于FLUENT软件的用户自定义函数(UDF)扩展其物性处理方式。通过与实验工况进行比较,认为改进后的物性处理方式有助于提高数值计算的预测精度。     

超临界流体物性畸变特性的多尺度研究

为填补超临界流体物性畸变特性的理论空白,本文分别从微观尺度的分子动力学模拟、介观尺度的平均场理论和标度理论及宏观尺度的物性测量实验等方面展开研究。应用分子动力学模拟方法得到了跨越拟临界点时二氧化碳体系的微观结构特性,通过分析双体分布函数等结构参数的变化规律得到了物性畸变的分子动力学机理。基于朗道二级相变理论和标度理论,提出了一种考虑外场的气液相变模型,定量预测了超临界流体在拟临界区附近和趋于临界点时密度、定压比热等热力学量的畸变规律。在宏观尺度方面,本文开展了超临界二氧化碳密度、定压比热、黏度的高精度测量实验,指出了现有物性计算模型的潜在缺陷。研究结果表明,对于不同的超临界流体,临界点和拟临界区附近的物性畸变特性存在普适规律。在相图上,超临界流体区可进一步划分为4个区域：临界点邻域、类气区、类液区和拟临界区。不同区域内,超临界流体特性由不同尺度下的影响机制所主导。     

跨临界泄压瞬态传热特性的模型敏感性分析

在停堆或失水等事故工况下,超临界水冷堆将经历跨临界泄压过程,系统压力从超临界状态降到拟临界点22.064MPa以下。而对于次临界区,临界点附近的临界热流密度值很低,极易发生沸腾临界,导致加热棒壁面温度迅速升高,因此跨临界泄压过程是超临界水冷堆失水事故安全分析的关键。目前,跨临界泄压瞬态过程可以通过系统程序进行计算,但依然缺乏有效的实验验证。故本文依托上海交通大学的超临界流体多功能实验回路(Supercritical WAter MUltiPurpose loop,SWAMUP)跨临界泄压过程的实验,利用德国核安全中心(GRS)开发的系统程序ATHLET3.0进行建模计算,分析跨临界泄压过程传热特性。通过调节次临界区临界热流密度、最小膜态沸腾温度、骤冷前沿模型等相关参数,对计算模型进行敏感性分析,为跨临界泄压瞬态过程的准确计算提供参考。计算结果表明,加热棒壁面是否发生温度飞升取决于所选用的临界热流密度和最小膜态沸腾温度的值;骤冷前沿模型的使用可以实现壁面再湿润,降低壁面温度。     

超临界水热力系统的稳定性的简化模型分析

针对超临界水热力系统建立了简化模型,采用微扰动线性化及Laplace变换,对热力系统的非线性守恒方程进行线性化处理,建立了传递函数;用无量纲的次拟临界数和过拟临界数建立了稳定边界图;考察了一些重要参数对系统稳定性的影响.研究结果表明,系统在拟临界点附近存在不稳定区域;增大系统入口阻力或流体入口速度均有利于系统稳定,而增加加热段长度和重力加速度均不利于系统稳定.     

方形子通道内超临界流体流动传热CFD分析

国际上对超临界水冷堆进行了大量的研究,但对其堆芯内超临界流体流动传热特征的认识还十分欠缺.本研究采用CFX软件对典型超临界反应堆燃料组件子通道内的超临界热工水力特征进行了数值分析.研究了流动参数、边界条件和节径比(P/D)对子通道间交混现象和传热特性的影响.计算结果表明:燃料组件外围壁面子通道比内部子通道的湍流交混强烈;稠密栅格的湍流交混比宽栅格的湍流交混小.当P/D>1.2后,P/D比对湍流交混影响不再明显.研究还发现,在拟临界点附近区域,出现湍流交混系数的突变.     

超临界二氧化碳在印刷电路板式换热器内的流动换热特性研究

印刷电路板式换热器（PCHE）是一种微通道换热器，具有换热效率高、耐高温、耐高压等优势，可广泛应用于海洋工程、核能、光热发电等领域。本文采用数值模拟的方法，计算了跨拟临界点超临界二氧化碳（SCO₂）在印刷电路板式换热器内的流动换热特性。结果表明：SCO₂流体温度达到拟临界温度时，流通截面内流体温度分布最均匀，因为此时流体的有效导热系数最大；SCO₂侧对流换热热阻在总热阻中占比最大，其次为导热热阻，水侧对流换热热阻最小；采用等效厚度法计算得到的导热热阻偏大；雷诺数越大，在拟临界温度附近换热强化的程度越大。     

Mixed convection heat transfer to carbon dioxide flowing upward and downward in a vertical tube and an annular channel

This paper addresses three main subjects in supercritical heat transfer: (1) difference in thermal characteristics between upward and downward flows; (2) effect of simulating flow channel shape; (3) evaluation of the existing supercritical heat transfer correlations. To achieve the objectives, a series of experiments was carried out with CO₂ flowing upward and downward in a circular tube with an inner diameter of 4.57 mm and an annular channel created between a tube with an inner diameter of 10 mm and a heater rod with an outer diameter of 8 mm. The working fluid, CO₂, has been regarded as an appropriate modeling fluid for water, primarily because of their similarity in property variations against reduced temperatures. The mass flux ranged from 400 to 1200 kg/m² s. The heat flux was varied between 30 and 140 kW/m² so that the pseudo-critical point was located in the middle of the heated section at a given mass flux. The measurements were made at a pressure of 8.12 MPa, which corresponds to 110% of the critical pressure of CO₂. The difference between the upward and downward flows was observed clearly. The heat transfer deterioration was observed in the downward flow through an annular subchannel over the region beyond the critical point. Several well-known correlations were evaluated against the experimental data, and new correlations were suggested for both a tube and an annular channel.     

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。     

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。     

An investigation on heat transfer characteristics of different pressure steam-water in vertical upward tube

Within the range of pressure from 9 to 30 MPa, mass velocity from 600 to 1200 kg/(m² s), and heat flux at inner wall from 200 to 600 kW/m², experiments have been performed to investigate the heat transfer characteristics of steam-water two-phase flow in vertical upward tube. The outer diameter of the tube is 32 mm, and the wall thickness is 3 mm. Based on results, it was found that Dryout is the main mechanism of the heat transfer deterioration in the sub-critical pressure region. Near the critical pressure, when the heat transfer deterioration occurs, the steam quality of water is lower than that in the sub-critical pressure region, so that DNB is the main mechanism in this pressure region. At supercritical pressure, the heat transfer performance in circular channel is improved and enhanced. Heat transfer deterioration phenomenon is observed when the fluid bulk temperature approaches to the pseudo-critical value. Nusselt correlation of the forced-convection heat transfer in supercritical pressure region has been provided, which can be used to predict heat transfer coefficient of the vertical upward flow in tube.     

Experimental heat transfer in supercritical water flowing inside channels (survey)

This literature survey is for heat transfer to supercritical water flowing in channels. The objectives are to assess the work that was done and to understand the specifics of heat transfer at these conditions. Our exhaustive literature search, which included over 450 papers, showed that the majority of experimental data were obtained in vertical tubes, some data in horizontal tubes and just a few in other flow geometries including bundles. In general, the experiments showed that there are three heat transfer modes in fluids at supercritical pressures: (1) normal heat transfer, (2) deteriorated heat transfer with lower values of the heat transfer coefficient (HTC) and hence higher values of wall temperature within some part of a test section compared to those of normal heat transfer and (3) improved heat transfer with higher values of the HTC and hence lower values of wall temperature within some part of a test section compared to those of normal heat transfer. The deteriorated heat transfer usually appears at high heat fluxes and lower mass fluxes. Also, a peak in HTC near the critical and pseudo-critical points was recorded. Due to the limited number of publications that are devoted to heat transfer in bundles cooled with water at supercritical pressures, more work is definitely needed to provide the additional information for design purposes.     

超临界压力下考虑密度脉动的湍流模型开发

目前超临界水传热数值程序中使用的湍流模型都是针对亚临界压力下常物性开发的,未考虑密度脉动。超临界水的物性随温度变化显著,密度脉动对湍流模型的贡献很大,不可忽略。本文建立了考虑密度脉动的模拟方法,模拟方法中同时考虑了热膨胀系数的脉动。将建立的密度脉动模型用于AKN湍流模型中,并采用实验数据进行验证评价。评价结果表明,考虑密度脉动的湍流模型模拟得到的结果与实验值符合得更好。建议在以后的超临界水传热的湍流模拟中考虑密度脉动。