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紧密栅棒束通道氦氙混合气体流动传热特性数值模拟研究

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核动力工程 2024年

作者：张嘉鑫鲍辉丛腾龙顾汉洋 1.上海交通大学核科学与工程学院 2.中国核动力研究设计院上海交通大学核科学与工程学院中国核动力研究设计院

针对氦氙冷却高温气冷堆堆芯设计和分析需求，本研究建立了一套涵盖物性模型、湍流模型与湍流普朗特数模型的氦氙混合气体三维流动传热模型，并基于此模型开展了棒束通道内氦氙混合气体流动传热数值分析，研究几何参数和运行参数对相关... 详细信息

针对氦氙冷却高温气冷堆堆芯设计和分析需求，本研究建立了一套涵盖物性模型、湍流模型与湍流普朗特数模型的氦氙混合气体三维流动传热模型，并基于此模型开展了棒束通道内氦氙混合气体流动传热数值分析，研究几何参数和运行参数对相关特性的影响规律。结果表明：包壳存在会对紧密栅棒束通道内流动传热带来较大的周向非均匀性，在子通道模拟及整体三维数值模拟中均应考虑包壳导热影响；除包壳外，紧密栅棒束通道内氦氙流动传热则主要受栅径比影响，同一工况下栅径比越大，混合气体对流换热越强烈。

关键词：紧密栅棒束氦氙混合气体流动传热特性

含肋柱微通道换热器内纳米氧化铝流体流动传热特性研究

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陶瓷学报 2024年第2期45卷 390-400页

作者：吴旭辉张平黄逸宸桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林541004 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院江西景德镇333403

陶瓷工业的节能降碳对于环境保护和可持续发展具有重要意义,而余热回收是实现节能降碳的有效途径,为了提升陶瓷窑炉中烟气余热的回收效率,研究将纳米陶瓷氧化铝粉和水组成的Al_(2)O_(3)-水纳米陶瓷流体与肋柱结合来协同强化微通道换热... 详细信息

陶瓷工业的节能降碳对于环境保护和可持续发展具有重要意义,而余热回收是实现节能降碳的有效途径,为了提升陶瓷窑炉中烟气余热的回收效率,研究将纳米陶瓷氧化铝粉和水组成的Al_(2)O_(3)-水纳米陶瓷流体与肋柱结合来协同强化微通道换热器换热性能。采用了非正交多松弛(MRT)格子玻尔兹曼方法(LBM)研究了含肋柱的微通道内Al_(2)O_(3)-水纳米陶瓷流体的流动传热特性,并通过与前人相关工作结果进行对比验证了该模型的准确性与可靠性。具体研究了在肋柱换热总面积不变的情况下,不同肋柱高度hi以及纳米颗粒体积分数φ对微通道流动传热特性的影响。研究结果表明,与平直流道相比,肋柱的加入显著增强了微通道的换热性能。此外,随着φ增大,微通道换热性能增强。在肋柱换热总面积不变的情况下,随着hi的增大,微通道换热性能逐渐减弱,当hi为0.3125时热性能因数TPF最大,综合传热性能与压力损失的表现最好。虽然添加肋柱使得微通道传热性能得到提升,但综合压力损失与传热性能却小于平直表面。研究结果能对微通道换热器内的结构设计与优化提供一定参考。

关键词：微通道换热器格子玻尔兹曼方法纳米流体肋柱流动传热特性

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燃煤电站空冷单元流动传热特性及空气流场优化改造

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电力设备管理 2024年第4期 259-261页

作者：李小强宋宝军杨永宏陈文龙齐志鹏陕西清水川能源股份有限公司首航高科能源技术股份有限公司

清水川燃煤发电机组在运行过程中空冷单元内部流场分布不均、Λ-型翅片管束底角区域冷却不充分导致空冷单元内凝汽器传热效率差。为改善这一情况,本文进行了空冷单元内部流场的改造、优化设计及计算。通过开展单排管风洞实验获得了散热... 详细信息

清水川燃煤发电机组在运行过程中空冷单元内部流场分布不均、Λ-型翅片管束底角区域冷却不充分导致空冷单元内凝汽器传热效率差。为改善这一情况,本文进行了空冷单元内部流场的改造、优化设计及计算。通过开展单排管风洞实验获得了散热管束传热、阻力性能数据,在风洞实验数据基础上进行了空冷单元内部冷却空气流场优化模型CFD计算,得出采用方案a+b+c,空冷单元内部冷却空气流场分布均匀性显著提高。

关键词：清水川燃煤电站空冷单元流动传热特性空气流场优化改造

栅元型格架对环形燃料子通道流动传热特性影响的数值模拟

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原子能科学技术 2022年第11期56卷 2431-2437页

作者：胡立强史宝磊田子豪季松涛杨立新杨世豪何晓军中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413 北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

栅元型格架是一种应用于环形燃料的新型定位格架,对环形燃料外部子通道的流动传热特性具有重要影响。本文针对直通型和外扩型两种栅元格架建立13×13环形燃料多跨格架计算流体力学(CFD)计算模型,通过计算速度场分布均匀性、搅混特性、... 详细信息

栅元型格架是一种应用于环形燃料的新型定位格架,对环形燃料外部子通道的流动传热特性具有重要影响。本文针对直通型和外扩型两种栅元格架建立13×13环形燃料多跨格架计算流体力学(CFD)计算模型,通过计算速度场分布均匀性、搅混特性、阻力特性及努塞尔数(Nu)分布,对比分析了两种格架的流动传热特性。结果表明,外扩型格架能提高子通道流场参数分布的均匀性,同时具有更优异的搅混性能。

关键词：环形燃料栅元型格架流动传热特性 CFD方法

超燃冲压发动机碳氢燃料流动传热特性与再生冷却技术综述

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空天技术 2022年第6期2022卷 57-66页

作者：李昊炜林国伟冯炜峻徐青广东海洋大学湛江524088

碳氢燃料作为高超声速飞行器的冷却剂,近年来,其在冷却通道内的流动传热特性成为研究热潮。从冷却通道内截面几何形状及入口流速、亚临界/超临界压力、加热模式及燃油温度、换热关联式这四个方面综述了碳氢燃料流动传热特性研究现状,从... 详细信息

碳氢燃料作为高超声速飞行器的冷却剂,近年来,其在冷却通道内的流动传热特性成为研究热潮。从冷却通道内截面几何形状及入口流速、亚临界/超临界压力、加热模式及燃油温度、换热关联式这四个方面综述了碳氢燃料流动传热特性研究现状,从碳氢燃料应用现状、并联通道流量分配偏差及其抑制、变工况条件下碳氢燃料传热不稳定抑制方法这三个方面介绍了碳氢燃料再生式冷却技术现状。在此基础上,对目前碳氢燃料流动传热特性与再生式冷却技术进行了展望。高热沉燃料技术及其在冷却通道内的对流传热特性的深化研究、多工况下的换热关联式、并联通道流量的均匀分配和变工况条件下传热不稳定现象的抑制等是今后碳氢燃料流动传热与再生冷却技术的发展方向。

关键词：高超声速飞行器超燃冲压发动机碳氢燃料流动传热特性再生式主动冷却

弓形导流板对“V”型直接空冷单元流动传热特性的影响

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汽轮机技术 2023年第5期65卷 321-326,342页

作者：李莹莹阴继翔张辉王国栋李娜英太原理工大学电气与动力工程学院太原030024

采用CFD软件对“V”型直接空冷单元在环境横向风影响下的流动传热特性进行模拟研究。为缓解翅片管束出口温度分布不均匀的问题,在“V”型直接空冷单元风机出口处加装弓形导流板。首先对加装导流板前后空冷单元的内部流场进行对比分析;... 详细信息

采用CFD软件对“V”型直接空冷单元在环境横向风影响下的流动传热特性进行模拟研究。为缓解翅片管束出口温度分布不均匀的问题,在“V”型直接空冷单元风机出口处加装弓形导流板。首先对加装导流板前后空冷单元的内部流场进行对比分析;随后探究了弓形导流板不同数量、倾角及高度对内部空气流动和传热特性的影响,并对参数进行了优化;最后比较了空冷单元内加装最优化的弓形与矩形导流板的换热效果。结果表明:在空冷单元的风机出口加装弓形导流板可有效减弱环境风的不利影响,使散热器出口的速度及温度分布更加均匀,局部高温区域逐渐消失,改善了空冷单元的换热性能;在弓形导流板数量为4块、倾角为20°、高度为0.8m时导流效果最佳;与矩形导流板相比,弓形导流板对空冷单元散热效果的改善较为明显。论文所得结果可为空冷单元的优化设计提供一定理论依据。

关键词： “V”型直接空冷单元弓形导流板流动传热特性环境风数值模拟

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鱼鳞仿生结构微通道的流动与传热特性研究

昆明理工大学学报（自然科学版） 2023年第1期48卷 102-111页

作者：申鑫翟玉玲陈文哲郭文杰李法社昆明理工大学省部共建复杂有色金属重点实验室云南昆明650093 昆明理工大学冶金与能源工程学院云南昆明650093

从自然界鱼鳞和鲨鱼皮盾鳞结构中得到灵感,设计了一种新型鱼鳞仿生结构微通道以提高综合传热性能.采用数值模拟方法,对比研究了在层流时鱼鳞结构、个数及排布方式对仿生结构微通道流动与传热的影响.将鱼鳞结构布置于微通道底部换热面,... 详细信息

从自然界鱼鳞和鲨鱼皮盾鳞结构中得到灵感,设计了一种新型鱼鳞仿生结构微通道以提高综合传热性能.采用数值模拟方法,对比研究了在层流时鱼鳞结构、个数及排布方式对仿生结构微通道流动与传热的影响.将鱼鳞结构布置于微通道底部换热面,分为普通鱼鳞结构(NF)、垂直劈缝鱼鳞结构(VF)和等比劈缝鱼鳞结构(EF),沿流动方向(y轴)的排布方式分为平行排布(P)、品字形排布(T)和交错排布(S),鱼鳞个数分别为4、8、16及32个.模拟结果表明:与参考通道(光滑微通道)对比,鱼鳞仿生结构微通道的强化传热因子η值均在1.05~2.08范围内,综合传热性能均得到明显提高;在平行排布方式下,鱼鳞个数为32的垂直劈缝鱼鳞结构微通道的综合传热性能最佳,在Re=1180时,获得最大η值为1.39.进一步分析不同排布方式下微通道流动与传热性能发现,相较于平行排布,采用品字形排布微通道强化传热因子η值明显提高.同时,品字形排布的等比劈缝鱼鳞结构微通道由于压降更低,综合传热性能最佳.当Re=1180、鱼鳞个数为32时,品字形排布等比劈缝微通道T-EF32的强化传热因子η值最大,为2.08,比平行排布的等比劈缝微通道P-EF32提高了0.703,增幅为51.09%.

关键词：微通道换热器鱼鳞结构劈缝排布方式流动传热特性

金属多孔介质换热器设计及其流动传热特性数值模拟与实验研究

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金属多孔介质换热器设计及其流动传热特性数值模拟与实验研究

作者：赵红柳大连理工大学

学位级别：硕士

增大航空发动机涡扇前叶片温度是提升其推重比的重要手段,进而实现飞行器的高马赫数飞行,而此方法的技术难点在于解决发动机热防护系统这一瓶颈问题。目前,针对航空发动机部件热防护以及系统热管理问题,比较有效的技术手段是CCA(Cooled ... 详细信息

增大航空发动机涡扇前叶片温度是提升其推重比的重要手段,进而实现飞行器的高马赫数飞行,而此方法的技术难点在于解决发动机热防护系统这一瓶颈问题。目前,针对航空发动机部件热防护以及系统热管理问题,比较有效的技术手段是CCA(Cooled Cooling Air)技术:利用换热器降低冷却空气温度,从而增大能量利用率,而研发一种符合航空发动机要求的换热器是解决此问题的重要前提。在此前提下,本文采用多孔介质完全替代传统换热器的关键部件,并对设计的金属多孔介质换热器开展了流动传热特性数值模拟与实验研究,阐明其传热系数、换热量、压降、进出口温度等换热器性能评价指标的变化规律,以期为CCA技术多孔介质换热器设计提供基础数据和理论支撑,主要包含以下几方面:为提高换热器上多孔介质的传热性能,采用开尔文胞体作为其基础单元结构,并设计制造了管壳式、板式两种类型的金属多孔介质换热器:S型多孔介质管壳式换热器、微通道多孔介质板式换热器。详细分析了S型管壳式换热器、微通道针肋板式换热器的芯体设计细节,并与多孔介质换热器进行对比研究。采用3D打印技术制作了换热器芯体,采用传统焊接工艺加工制作了了整机换热器。为探究新型换热器的换热效率以及相对于传统换热器的综合性能提升效果,利用Flo EFD数值模拟软件对四种换热器开展流动换热数值模拟研究。空气温度选择90℃、120℃、150℃、180℃四个温度,水保持16℃不变。结合实验条件及水-空气质量流量比为0.2的要求,确定了两组不同流量参数,分别为16.7 g/s水质量流量、84 g/s的空气质量流量,以及25 g/s水质量流量,126 g/s空气质量流量。研究发现:内部流体的速度成梯度式降低,靠近换热通道外壁处流体速度最小;压力分布比较均匀,呈梯度式降低。并且,相对于传统换热器,多孔介质换热器的水侧温差等性能评价指标均有一定幅度的提升,其中,管式换热器的传热系数增大37.5%、换热量提升48.34%、综合换热性能增加44.44%,功重比平均提升42.02%,可达25.45 k W/kg;板式换热器的传热系数增大18.42%、换热量提升46.58%、综合换热性能增加36.84%,功重比平均提升56.34%。为验证数值模拟的相关研究结论,使用完全相同的边界条件,在自行搭建的流动换热实验平台对四种换热器进行流动换热特性分析实验,并将数值模拟与实验数据做对比分析,得到验证性结论:与数值模拟结果相同,多孔介质换热器的水侧温差、传热系数、综合换热性能与功重比相较传统换热器均有提升,但增大幅度相对较小,其中,管式换热器的传热系数增大43.94%、换热量提升26.32%、综合换热性能增加38.5%,功重比平均提升38.38%;板式换热器的传热系数增大50%、换热量提升21.7%、综合换热性能增加62.4%,功重比平均提升57.55%。无论是实验研究还是数值模拟研究,其结果都能够充分表明相较于传统换热器,将金属多孔介质完全替代传统换热器的翅片的确可以明显增大换热器的传热效率,最终提升换热器的换热性能。

关键词：航空发动机多孔介质管翅式换热器板式换热器流动传热特性

S-CO2射流冲击流动传热特性的数值与实验研究

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S-CO2射流冲击流动传热特性的数值与实验研究

作者：欧阳懿亮中南大学

学位级别：硕士

超临界二氧化碳布雷顿循环(S-CO Brayton Cycle)因其循环效率高、系统设计紧凑等优点,在核电、太阳能发电以及余热回收等多个领域具有较好的应用前景。换热器作为布雷顿循环的关键设备之一,其换热能力和压降特性对循环性能有重要影响。... 详细信息

超临界二氧化碳布雷顿循环(S-CO Brayton Cycle)因其循环效率高、系统设计紧凑等优点,在核电、太阳能发电以及余热回收等多个领域具有较好的应用前景。换热器作为布雷顿循环的关键设备之一,其换热能力和压降特性对循环性能有重要影响。目前较为适用的S-CO紧凑式换热器均较难加工、成本较高,而常见结构的各类非紧凑式换热器的传热系数较低,因此,本文将射流冲击引入S-CO换热器,以充分利用射流冲击的高换热系数特性实现换热器性能的提升,通过开展相关数值与实验研究,验证了射流强化S-CO传热的可行性,并设计了一种新型的射流式换热器结构,分析了射流孔的孔径、孔数、排列方式和入口角度对S-CO流动传热特性的影响,为相关换热器的开发与设计提供了理论基础和解决方案。本文主要的研究内容与结论如下:(1)提出了一种射流式换热器结构,对比了S-CO在射流式换热器和套管式换热器流道内的综合热工水力性能的差异,探究了射流孔孔径和孔数的变化对流动传热性能的影响,并分析了射流式换热器的流动传热特性。研究结果表明:在大多数参数范围内,射流式换热器结构的换热性能都优于套管式换热器结构,壁面平均传热系数最大可增长234.0%。所有射流式换热器结构的压降都要大于套管式换热器结构,其中孔径为8 mm、孔数为10的结构对应的压降最低。射流式换热器结构的综合热工水力性能相比于套管式换热器结构最大能提高52.5%。(2)搭建了最高设计温度200℃、最高设计压力15MPa的超临界CO流动传热实验台,设计加工了射流式换热器与同尺寸的套管式换热器,验证了射流式换热器的强化传热效果,并拟合了相关的传热关联式。研究结果表明:射流式换热器的换热效果优于套管式换热器,其对应的Nu数最大可增长29.1%。射流式换热器关联式的最大预测误差为-19.0%,约97.5%的数据分布在±15%误差范围内,套管式换热器关联式的最大预测误差为-14.5%,约96.3%的数据分布在±10%误差范围内。(3)通过数值模拟优化了射流孔排列方式和射入角度,获得了其对换热器换热性能、流动阻力和综合热工水力性能的影响规律。研究结果表明:与射流孔的均匀排列相比,等差排列可实现换热性能最大提升6.1%,而交错排列对应的压降最大可减小15.1%。轴向等差排列、周向交错排列的射流孔排列方式可实现的最佳效果为:换热性能提升4.3%、压降减小10.5%、综合性能提升8.2%。在定射流入口面积的前提下,改变射流入口角度有助于提升换热性能,最大有7.1%的增长。图67幅,表12个,参考文献80篇

关键词：超临界CO2 射流式换热器数值模拟实验研究流动传热特性