水平热板上液态金属自然对流的数值模拟

液态金属拥有很好的导热性,作为冷却介质具有广泛的应用前景,但其分子普朗特数远小于常规流体,导致换热特性与常规流体存在差异。本文对Ra=10~4~10~7范围内热面向上水平平板上液态铅铋合金的自然对流换热进行了数值模拟研究,对比了不同瑞利数下温度场的差异,并给出了 Ra=10~4~10~7范围内平均努塞尔数的计算公式。     

圆管内液态铅铋合金强制对流换热特性研究

圆管内液态铅铋合金的强制对流换热特性研究对加速器驱动的次临界核能系统的发展具有重要意义。运用大涡模拟方法,对恒热流密度条件下三维圆管内液态铅铋合金强制对流换热特性进行了数值计算,对比发现模拟结果和实验数据及关联式吻合良好。对比了不同入口速度条件下流场的速度和温度分布、传热Nu数、无量纲时均温度、无量纲均方根温度和湍流涡分布等,进一步分析了不同雷诺数对圆管内液态铅铋合金强制对流换热特性的影响规律。在恒热流密度条件下,随着Re数的增加,液态铅铋合金的Nu数逐渐增大,圆管不同截面的温差逐渐减小,湍流涡分布增多,提高Re数能够增强液态铅铋合金的传热性能。     

普朗特数对槽内热磁耦合流动换热影响

针对矩形槽内导电流体普朗特数分别为 0.01、1、100 时,进行了流动形态和换热的数值模拟研究.数值结果表明:普朗特数对流动、温度分布影响不同,从而影响到对流换热的强弱,低普朗特数流体热浮升力作用大,流动以热驱动为主,换热强度弱,发现在低普朗特数下,数值模拟得出的努赛尔数并不能收敛到某一定值,而是在一个区间范围内"来回振荡";高普朗特数流体,电磁力作用大,流动以电磁力驱动对流作用,换热随着哈特曼数的增加而得到很大提高.     

确定换热器换热系数的一种新方法——离散流动瞬态法

本文提出了离散流动新概念,建立了计算流体从换热器流出时温度变化的数学模型;设计了配比方法,从而导出了一种确定换热器换热系数的新方法——离散流动瞬态法.作者用该方法确定了空气横掠顺排管束的换热系数,与文献啪的经典公式相比,结果是令人满意的.     

不同组分天然气在绕管内流动传热特性数值研究

针对目前LNG绕管换热器设计时,考虑不同天然气组分对流动换热性能的影响,采用数值模拟方法分析了不同组分天然气在绕管内流动的传热特征。研究采用6.4MPa的6组不同组分的甲烷和乙烷混合物作为工质,探讨了混合物乙烷组分比重、雷诺数Re、普朗特数Pr对压降和努塞尔数Nu的影响。结果表明:在气态时随着乙烷组分比重的增加,混合物压降随Re数增加幅度变小;而在液态时混合物压降则随着混合物中乙烷组分比重的增加,压降随Re数增加幅度变大。在气态时乙烷组分增大有利于传热,而在液态时乙烷组分增大不利于传热,最后根据模拟结果拟合出适用的Nu公式。     

气体横掠顺排管束流动特性实验研究

螺旋管式换热器换热系数高且结构紧凑，被用于高温气冷堆蒸汽发生器及中间换热器。这类换热器壳侧为有壁面包围的横掠管束流动，而壁面的存在会对横掠管束流动产生一定影响。本文中采用分裂式热膜测量了不同管距管径比(P/D)和不同雷诺数(Re)下横掠顺排管束流动管间和管后的速度分布。讨论了流动充分发展区域P/D、Re对管间和管后时均速度分布的影响。然后分析了P/D、Re对管间和管后雷诺正应力分布的影响。选取Re=35875的结果，从频谱角度分析了产生不同雷诺正应力分布的原因，并比较了P/D对管间速度频谱的影响。     

垂直上升管内液体横掠流动传热特性研究

本文对单相水和单相油横掠流动时的平均换热特性进行了实验研究,对试验的结果进行了分析和讨论,并对实验数据进行关联,得到了垂直上升管内单相水和单相油横掠流动时的换热准则关系式。结果表明,狭窄空间条件下的液体横掠柱体时的流动换热对液相Re数的依赖,较大空间条件下的流动换热相比明显减小,并对单相水和单相油横掠流动时的换热性能进行了比较。     

边缘效应对小型平直翅片管束传热和阻力性能的影响

本文通过数值模拟方法对四排管叉排布置的小型平直翅片管束的传热和阻力性能进行了研究,分析了边缘效应对小型翅片管束传热和阻力性能的影响,结果表明,6-6-6-6布管方式优于6-5-6-5布管方式,在只有较少换热管的小型翅片管换热器中,边缘效应不可忽略,实际整体模型的阻力系数比文献中常用的简化对称模型小13%~14%,努塞尔数小15%~18%,本文提出的公式可用于快速而准确地估算小型平直翅片管束的努塞尔数和阻力系数.     

次声频脉动流横掠圆柱体传热实验研究

为研究次声频脉动流中圆柱体对流换热的特性,搭建了脉动流强化传热实验台架,研究了不同脉动频率(f=6~20 Hz)的脉动流横掠圆柱体的对流换热问题,脉动波的有效压力振幅Prms固定为22 Pa。结果表明:低频小振幅的脉动流横掠热圆柱体时,对流换热相对努塞尔数随着频率的降低线性增大,最大值可达4.0以上;辐射热流率占总热流率的比例随着频率的降低而呈指数下降。     

叶片冲击/气膜复合冷却的数值研究

应用数值方法研究了燃气轮机透平叶片冲击/气膜复合冷却特性。首先对湍流模型进行了考核,根据与已有试验数据的比较,数值计算选用与试验结果吻合最好的SST k-ω模型进行。然后分析了不同吹风比下叶片前缘内部冲击冷却和外部气膜冷却的流动和换热特性。结果表明:冲击室内,平均努塞尔数在叶根处最低,沿叶高方向逐渐增大,从某一叶高处开始在一定的范围内波动。随着吹风比的提高,冲击室内周向平均努塞尔数及其峰值都增大,气膜孔附近的气膜冷却效率降低,气膜孔下游的气膜冷却效率增加。     

非稳态横掠管束周期性充分发展对流换热的数值模拟

本文采用非稳态数学模型对横掠管束的周期性充分发展流动与换热进行了数值模拟。结果显示,在所考虑的参数条件下,Re≥100以后流场和温度场随时间发生振荡,并且振幅随Re增加而增大;进一步增加Re到一定值后,在管束间会有交替出现的涡。计算得到的平均Nusselt数与现有文献中的实验关联式基本是吻合的。平均Nusselt数的计算值随流动方向管间距的增加而增加。     

涡轮叶片冷却通道高性能微小肋湍流传热的数值研究

为了提高涡轮叶片内冷通道的换热性能,针对分别带有直肋、斜肋、V肋和W肋这四种微小结构肋的冷却通道进行了数值计算并。通道宽高比为6,肋间距与肋高比为10,肋高与水力直径比为0.029。采用低雷诺数AKN k-ε模型研究了雷诺数范围从36700到60000时四种带肋通道的换热与流动特性并与实验结果相比较,发现通道换热性能和压力损失与稳态实验结果较一致。研究表明,W肋换热性能最优,其平均努塞尔数是流动充分发展的光滑通道的2.2到2.4倍,摩擦因子是光滑通道的3.7～4.0倍。其次是V肋、直肋,斜肋最低。分析流场发现直肋下游回流区最大,壁面努塞尔数在横向上较均匀,而斜肋、V肋和W肋因为二次流的存在回流区较小,壁面努塞尔数沿着肋展方向降低。     

横掠管束周期性充分发展对流换热的混沌分析

本文利用混沌理论分析了横掠管束周期性充分发展对流换热的非稳定性问题,即通过速度U的时间序列的重构相空间计算出关联维数D2,并通过时间序列分析了该非线性动力系统的功率谱特性。分析结果表明,本文所研究的横掠管束周期性充分发展对流换热系统在所给出的控制参数Re=937.7下出现的非稳定性问题属于混沌现象。系统的整体状态可用奇怪吸引子来描述,当延迟时间选择为5,该时间序列的重构相空间的嵌入维数增至5时,该吸引子的分维数趋于定值1.63。     

聚变堆液态包层增殖区铅锂与氦气多流场耦合换热特性研究

采用三维计算流体动力学(CFD)方法对聚变堆液态包层增殖区高温液态铅锂与结构内高压氦气耦合换热进行数值模拟。建立了充放式高压氦气回路和换热实验段,开展了包层典型工况下液态铅锂与氦气多流场耦合换热对比实验验证。研究了氦气压力和增殖区铅锂入口温度、核热功率密度变化时的流动与传热特性及其影响规律,获得了氦气与RAFM钢壁面、液态铅锂与RAFM钢壁面之间的换热系数和换热关联式,为液态包层的设计研发提供了参考依据。     

超临界CO_2横掠管束对流换热数值模拟

随着第四代核能系统的研发,使用高效、安全、经济的超临界二氧化碳作为冷却剂或二回路能量转换工质的反应堆成为研究热点。管壳式换热器具有制造维护简单、流动压降小的特点,在超临界二氧化碳对流换热中具有一定的应用前景。本文使用数值模拟方法研究了超临界二氧化碳横掠管束对流换热特性。结果表明:超临界二氧化碳横掠管束是周期性流动,拟临界区的超临界二氧化碳横掠管束流动换热不同于远离拟临界点的超临界区。Zukauskas关联式适用于远离拟临界点的超临界区对流换热Nu计算,不适用于拟临界区Nu计算。本文对Zukauskas关联式在拟临界区进行了修正,修正后的公式适用于7.5 MPa下主流温度300～310 K的拟临界区Nu计算,最大误差为21.40%。     

强磁场对突扩管中液态金属剪切层的影响

在聚变堆中,由于强磁场的影响,液态金属流动呈现准二维流动的特征。本文基于SM82模型,对不同磁场强度下突扩管内的流动进行数值研究。计算结果表明,随着磁场强度增大,流动从不稳定状态向稳定状态转变,剪切涡脱落逐渐消失,并伴随着剪切涡纵向尺寸变窄,横向关联尺度变长,剪切层脉动特征频率趋于一致。同时,脱落后的剪切涡与壁面相互作用是影响管道换热的主要因素,随着磁场强度增加,壁面平均努塞尔数逐渐减小,换热效率降低。     

DN板通道传热阻力特性的实验和数值研究

本文分别采用了实验和数值模拟两种方法对DN板通道的阻力特性和传热特性进行了研究。本文的实验采用了稳态实验法,数值模拟分别采用了三种典型的湍流模型(LBKE、SKE和SST)。结果显示,平均努塞尔数Nu随雷诺数Re增大而增大;表面换热因子j和阻力系数f随雷诺数Re的增大而增大。拟合得到了该型DN板的传热阻力特性关联式。同时,对数值模拟结果和实验结果进行了对比分析,对比发现,当Re2000时,三种模型对DN板换热能力和摩擦阻力的预测值均偏高;当Re2000时,LBKE模型和SST模型对DN板的换热预测值与实验值吻合较好,但三种模型对DN板通道摩擦阻力系数的预测值均偏低。     

径向轮缘密封预旋盘腔流动换热特性数值研究

本文通过SST湍流模型求解RANS方程组,研究了带径向轮缘密封的预旋盘腔流动换热特性,并采用附加变量法研究径向密封的封严特性。比较了不同冷气量,不同进气预旋比下的盘腔内流动系数、转盘表面努塞尔数和封严效率。结果表明:在中分面处,预旋比随进气预旋比的增大而增大,静压系数沿径向线性增大。主流入侵使转盘壁面绝热温度升高,根据流动状态计算得出的Nu较实际略大。进气预旋提高封严效率。     

外掠流体物性对浮动盘管振动影响的研究分析

本文以浮动盘管为研究对象,通过数值模拟与实验研究探讨了外掠流体的物性对浮动盘管振动特性的影响,引入附加质量系数描述其振动特性的变化。分析表明,在结构参数相同的条件下,流体诱导浮动盘管振动的附加质量系数随外掠水温度的升高而缓慢减小,对应浮动盘管的振动频率和努塞尔数随之缓慢增大。     

微小单锥体热沉射流流动及换热特性研究

射流冷却是高热流密度换热的有效方法之一,射流尺度及热沉结构均对换热性能产生显著影响。本文对一种微小单锥体热沉结构,采用Realizableκ-ε湍流模型对热沉表面流动及换热特性进行研究,并进行实验验证。结果表明:在本文研究范围内(锥体直径为5 mm,锥体高度h分别为5 mm、7.5 mm和10 mm,射流雷诺数Re_j分别为2000、4000、6000、8000),在锥体附近产生环形的带状区域。Re_j对区域半径影响显著,当Re_j分别为2000、4000、6000、8000时,对应的区域半径分别约为5 mm、12 mm、18 mm、23 mm。根据流动结构和压力分布特点,单锥体热沉表面可分为四个区域,分别为驻点区、斜掠区、折冲区和附壁射流区,锥体热沉局部努塞尔数与局部压力系数分布相对应.与h=5mm和h=10 mm的热沉相比,当h=7.5 mm时热沉对流换热效果较好,平均努塞尔数可提升3.4%~6.2%,在h=7.5mm、Re_j=8000的情况下,当热流密度小于0.192~0.324 MW/m~2时,锥体热沉可对热源实现有效散热。