竖直通道内饱和蒸汽凝结换热数值模拟

在依靠自然循环驱动的小型模块化反应堆主回路以及反应堆非能动安全系统中,冷凝换热是热交换过程的重要一环,因此对冷凝换热过程的深入研究和分析对提升换热效率、保障堆芯安全至关重要。该文基于格子Boltzmann方法,采用伪势模型,模拟研究了二维通道内静止饱和蒸汽在凝结过程中的流动和换热特性。结果表明：蒸汽冷凝会自发驱动蒸汽流动,蒸汽质量流速与通道宽度和凝结过程中的热流流量有关,保持壁面温度和通道宽度恒定状态下,液膜发展阶段壁面热流较大时,蒸汽质量流速增长较快;通道较窄时,入口处蒸汽平均质量流速初期增速较快但迅速达到稳态,通道宽度为150时的稳态入口平均质量流速约是通道宽度为500时的80.0%。对接触角的分析表明：亲水壁面上的液膜厚度受壁面亲水程度影响较小,壁面接触角为51°时出口处液膜厚度与接触角为72°时的相等。普通疏水壁面上珠状凝结难以维持,被液膜覆盖后相较于亲水壁面传热速率较慢,液膜滑移出计算域之前,壁面接触角为127°时壁面平均热流密度最大值约是接触角为51°时的75.8%,并随液膜滑移逐渐降低,但液膜受重力去除后再形成的过程能在一定范围内强化传热速率。     

矩形通道内高速蒸汽与过冷水直接接触凝结换热流型的实验研究

为研究有限通道内高速蒸汽与过冷水直接接触凝结换热(DCC)过程中汽液相界面的演化规律,搭建了具有矩形截面结构喷嘴及通道的可视化实验台,获得了入口蒸汽压力为0.1~0.45MPa、入口过冷水压力为0.1~0.4MPa以及入口过冷水温度为30℃条件下DCC过程的凝结形态,得到了基于入口参数的流型图。研究表明:矩形通道内DCC过程的典型流动形态可划分为蒸汽区、过冷水区、汽液混合层、回流区和均匀泡状流区,蒸汽区与汽液混合层之间有清晰的相界面;在不同的入口参数下会出现泡状流、界面振荡射流、尾部振荡射流、稳定射流和发散射流等凝结形态。获得了各种流型的下壁面温度分布规律,并通过计算,得到稳定射流的换热系数为5.2~9.0MW·m-2·℃-1。     

矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

针对先进动力装置利用航空煤油实现再生冷却的现实需求,建立了矩形冷却通道流/固/热耦合的三维数值模型,分析了入口质量流量、压力、热流密度等工况条件对矩形通道内航空煤油流动传热特性参数的影响。结果表明：增大质量流量和减小热流密度都会提升航空煤油的换热能力;在一定压力范围内,压力对航空煤油换热的影响不明显,但随着压力的增加,煤油的换热能力变差;由于传热恶化的发生,上述工况对压力损失和摩擦阻力的影响较为复杂。     

蒸汽冷却带肋矩形通道流动和换热特性数值研究

为了阐明蒸汽冷却带肋矩形通道的换热增强机理,基于三维RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值模拟了带肋矩形通道的流场和换热特性,研究了雷诺数、入口宽高比和肋间距对流动和换热特性的影响,进一步分析了努塞尔数与雷诺数、入口宽高比、肋间距之间的关系,由此得出带肋矩形通道的传热关联式。结果表明:肋片的存在破坏了较厚的换热边界层,增强了换热性能。雷诺数增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数小幅上升;宽高比增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数大幅上升;肋间距增大,平均努塞尔数增加,阻力系数先增后减,综合换热因子先减后增。所得传热关联式可为先进燃机蒸汽冷却叶片的设计提供参考。     

饱和蒸汽在高速过冷水射流外凝结换热的数值模拟

采用数值计算的方法,研究了高速过冷水射流外饱和蒸汽的凝结换热过程,在研究中,采用标准的k-ε紊流计算模型,两相界面上采用了凝结换热边界条件,并考虑了蒸汽凝结造成的相界面处的法向速度,计算表明,凝结换热强度完全由高速过冷水充中的紊流运动决定,其平均对流换热系数可以达到1．0MW／（m2,℃）,与实验结果相符合。     

水平矩形通道内纵向涡发生器强化换热的研究

研究了在较低壁温（小于120℃）,Re＝800－7000以及空气介质强迫对流的情况下,水平加热片上安装三角形涡发生器的强化换热效果,实际结果表明：纵向涡发生器是强化平板紧凑换热器气侧换热的有效形式,发生器布置的方式、排放以及攻角都会影响强化换热效果。     

波槽管管外蒸汽凝结换热若干影响因素实验研究

介绍了布置方式、真空、管材及凝结方式等因素对波槽管管外凝结换热影响的实验结果，并对结果进行了分析．对于布置方式而言，在条件允许的前提下，冷凝器采用水平布置比较合理；真空条件下，不凝性气体含量对凝结换热影响较大，应重视冷凝器的密封问题；管材B30传热性能较好，而钛材具有耐腐蚀，质量轻等优点；若对外壁面进行改性处理以促进珠状凝结，这将是进一步提高波槽管总体传热性能的重要途径，所得结论对波槽管的开发应用有重要的参考价值．     

绕花丝内插物强化凝结换热实验研究

为了提高管壳式换热器的性能，提出了一种新型管内强化传热技术——绕花丝内插物．对绕花丝内插物的强化换热机理进行了理论分析，建立了绕花丝强化管内凝结换热理论模型，并进行了实验研究．绕花丝内插物可使流体在流动方向上做复杂的三维混合流动，提前诱发湍流发生．研究结果表明，管内插入绕花丝后可使换热量在低温差下出现“陡然”上升现象，提前进入湍流状态，换热量强化比高达3-4倍，而压降相对较低，是光管的2倍左右，此外，将理论计算值与实验数据进行了比较，两者符合得很好，验证了理论模型的正确性和实用性．与其它内插物进行比较，绕花丝内插物不仅强化换热效果好，而且产生压降小。     

不同旋转轴对矩形通道内湍流与换热影响研究

对旋转矩形通道(横截面的长宽比b/a=2)内湍流流动和换热进行了大涡数值模拟.基于一种具有二阶精度的不协调混合格式(Adams-Bashforth/Crank-Nicholson)对N-S方程进行离散.采用动态亚格子模型对雷诺应力进行了模拟.湍流雷诺数Reτ和普朗特数Pr分别为400和0.71,旋转数Roτ=0～5.分析了管道横截面内平均速度、平均温度以及湍流强度的分布.结果表明,不同的旋转轴对湍流流动和换热有重要的影响,在高旋转数时,湍流结构在稳定侧和非稳定侧均有明显的变化.在相同旋转数下,与矩形通道绕z轴旋转时相比,系统绕y轴旋转的平均换热系数有所增大.     

流动蒸汽在正弦型纵槽管内凝结换热的实验研究

本文从实验的角度出发,对正弦型剖面的纵槽管进行了研究。找出了局部换热量与纵向坐标的关系。在拟合准则方程时,文中引进了一个新的特征参数L_c。并以此得到无量纲纵坐标z/L_c替代其他学者用实验段管长L来得到无量纲纵坐标z/L。且指出了原方法的不足之处。     

竖直矩形细通道内的水沸腾换热特性

以宽度为1.0 mm和0.1 mm的竖直矩形细通道内的沸腾换热特性为研究对象,运用数值模拟的方法探索气泡生成、长大和脱离的过程,通过几何重构和界面追踪的方法获取相界面移动和变化对系统内压差以及平均表面换热系数的影响。计算中考虑重力、表面张力和壁面黏性的作用。研究结果表明:通道宽度的不同对气泡生长方式和气泡形态产生很大影响,且核态沸腾换热系数随着细通道宽度的减小而增大;表面张力在细通道沸腾换热过程中所起的作用明显增大,证明细通道有强化换热的作用;由于数值计算中进行了理想化假设,导致数值模拟的沸腾传热系数比现有细通道沸腾传热实验传热系数普遍偏高。     

板式换热器中蒸汽凝结换热特性

在板式换热器的蒸汽凝结换热试验台上进行了实验研究,获取蒸汽完全凝结和部分凝结两种典型工况下的换热和压降特性．且就板式换热器中蒸汽凝结过程的换热进行分析和处理,得到了一个在板片槽道中蒸汽凝结换热系数关联式．并推荐用于板式换热器的蒸汽凝结换热系数的计算．     

竖直矩形窄通道空气自然对流换热特性的实验研究

实验研究了竖直矩形窄通道内空气自然对流换热特性.实验段间隙为1.0、1.8和2.5 mm,实验段宽为60 mm,高为800 mm,高与间隙之比为320～800,宽与间隙之比为24～60.实验在环境温度和压力下进行,在实验段宽边两侧对称均匀布置电加热棒间接加热,平均壁面热流密度为100～1 500 W/m2.实验结果表明:由于实验段进出口端部效应的影响,壁面最高温度出现在流道出口上游,而不是出口处;壁面热流密度呈现端部偏高、中部趋于平坦的趋势.换热特性分析表明,本实验结果要比文献中公式预测的结果偏高,并且在0.141～16.8的Rayleigh数范围内,3个实验段的换热可以很好地用关系式Nu=0.263Ra0.308拟合.     

矩形通道中涡流发生器换热性能的实验研究与模拟

通过换热实验和CFD模拟,在Re=150~1,200范围内对布置有斜截式半椭圆柱型涡流发生器的矩形换热通道内的流动和换热特性进行研究,并对其强化换热机理进行了分析.结果表明,布置有涡流发生器的换热通道较光滑通道Nu增加,压降增大,并且强化效果随Re增大而增强.在涡流发生器布置处产生了纵向涡,使截面涡量值大幅增加,从而强化了换热过程.     

单喷嘴蒸汽射流凝结引起的压力振荡研究

为了得到蒸汽在过冷水中浸没射流凝结引起的压力振荡规律,针对不同的过冷水温度和轴向距离对压力振荡特性进行实验研究。实验系统主要包括蒸汽发生器、稳压罐、喷嘴、水箱、仪表、可视化系统和数据采集系统。测量得到了不同轴向位置的压力振荡峰值,通过快速傅里叶变换得到了压力振荡的主频,并分析了过冷水温度和轴向距离对压力振荡特性的影响规律。结果表明:压力振荡峰值总体上随温度升高而增大,但在水温较高时出现下降趋势;主频随着水温的降低而增大,但不随轴向距离的增大而变化。同时,利用前人提出的公式对本实验条件下的主频进行了计算,计算值与实验值具有相同的变化趋势,且吻合得较好。     

竖直槽道内蒸气向上流动凝结换热的实验研究

通过高速摄影仪拍摄手段,观察了制冷剂R410A蒸气在水力直径为14.34mm、长度为160mm的竖直矩形槽道内垂直向上流动凝结过程中壁面液膜的流动特征.实验结果表明:在饱和温度为28℃和质量流速范围为1.8~23kg·m~(-2)·s~(-1)实验条件下,随着质量流速的增大,壁面出现假滴状流动和层流波状流动,并且随着质量流速的增大凝结液膜逐渐增厚,液膜表面波动亦更加明显;槽道内的平均凝结换热系数随质量流速的增大出现先增大后减小的趋势.实验得到了槽道壁面测温点分割出的四段壁面的各段的平均凝结换热系数的沿槽道轴向的变化情况.     

微重力下管内凝结换热性能的研究

为了预测失重条件下航天飞行器中冷凝器的传热性能，提出了一种研究微重力场中管内凝结换热过程的方法，建立了管内环状流域层流凝结换热的数理模型。改变重力加速度ｇ值进行仿真计算，随着ｇ值的减小，凝结液膜变厚，使凝结换热恶化，例如在相同冷却条件下，当进口蒸气Ｒｅ数为１０４时，ｇ＝０和ｇ＝９．８ｍ／ｓ２环境下的平均冷凝Ｎｕ将降低３０％。并以重力场中垂直管内凝结换热的实验结果对模型进行了间接的检验。给出了预测零重力环境中管内平均凝结换热系数的准则关联式，可供航天器热控系统的热分     

肋角度对矩形带肋通道蒸汽流动和换热特性的影响

在带肋单通道蒸汽强化换热试验研究的基础上,采用SSG雷诺应力湍流模型,求解了三维定常雷诺平均Navier-Stokes方程,对30°、45°、60°和90°4种带肋通道进行了蒸汽流动的数值计算,同时研究了雷诺数对矩形带肋通道中冷却气体的流动和传热特性的影响,并比较分析了不同肋角度下带肋通道的流动和传热特性。结果表明:斜置肋片能有效提高带肋通道的换热效果,同时也将带来很大的流动阻力;与90°带肋通道相比,60°、45°和30°带肋通道的热力系数分别增加了约29.3%、24.6%和20.9%,就综合热力性能来说,60°带肋通道是最好的结构形式。     

微矩形槽道内的受迫对流换热性能实验

对６种不同结构尺寸的微矩形槽道内的受迫流动阻力与换热性能进行了实验。结果表明，试验条件下微槽内水流动中从层流向湍流转变的临界雷诺数Ｒｅｃ＝１４００－１８００．揭示出微槽结构尺寸对流动与换热的影响，并由实验给出了层流区流动阻力与换热的经验关系式。     

纵向涡发生器对矩形窄通道内对流换热的影响

针对反应堆堆芯板状燃料元件冷却通道内的强化传热问题,对带有周期性分布纵向涡发生器(LVGs)的水平矩形窄通道内的流动与换热进行了实验研究,得出了雷诺数在3×103~2×104的范围内LVGs安装形式(一侧带LVGs或两侧带LVGs)对水的流动与换热特性的影响规律.结果表明:带有周期性分布LVGs通道的平均努谢尔数比光通道的高25%~35%,但阻力系数也比光通道的高.在3种不同比较准则(相同质量流量、相同压降及相同泵功)下,两侧带同向LVGs通道的综合性能好于单侧带有LVGs通道的综合性能.LVGs能够破坏热边界层,带走更多的热量,从而降低板状燃料元件的温度和堆芯的烧毁率.