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Journal of Central South University 2020年第8期27卷 2324-2337页

作者： H NEMATI A R RAHIMZADEH WANG Chi-chuan Department of Mechanics Marvdasht BranchIslamic Azad UniversityMarvdashtIran Mechanical Engineering Islamic Azad UniversityBushehr branchBushehrIran Department of Mechanical Engineering National Chiao Tung UniversityHsinchu 300TaiwanChina

本文对椭圆环形翅片管换热器的热流体特性进行了数值模拟研究。采用过渡SST模型对湍流进行了仿真模拟,研究了气流速度、水平/垂直方向翅片直径比以及翅片密度的影响。仿真结果表明,椭圆环形翅片具有优越的性能。在具有相同传热性能的情... 详细信息

本文对椭圆环形翅片管换热器的热流体特性进行了数值模拟研究。采用过渡SST模型对湍流进行了仿真模拟,研究了气流速度、水平/垂直方向翅片直径比以及翅片密度的影响。仿真结果表明,椭圆环形翅片具有优越的性能。在具有相同传热性能的情况下,环形椭圆翅片的压降仅为圆环形翅片的一半。竖直椭圆环形翅片可能含有比圆环形翅片具有更优的热传导性能。利用相关性系数估算环形翅片的Nu数和压降,相关性系数和模拟结果在压降和传热系数上的最大偏差分别为5.6%和3.2%。为从第二定律的角度进一步阐述椭圆环形翅片的优越性,对归一化熵产生进行了研究。在所有情况下,圆环形翅片的熵产生率均高于椭圆环形翅片的。

关键词：环形翅片椭圆翅片熵产过渡SST模型管束

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矩形窄通道内过渡流流动与传热特性研究

矩形窄通道内过渡流流动与传热特性研究

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作者：余婷哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

矩形窄通道内的传热系数通常远高于常规通道,基于矩形窄通道的强化传热技术被普遍应用于诸多领域的换热问题中,如在反应堆工程领域的核心组件冷却问题中。受矩形这一几何特征的影响,矩形窄通道内的流阻和传热特性与圆形窄通道不同。当... 详细信息

矩形窄通道内的传热系数通常远高于常规通道,基于矩形窄通道的强化传热技术被普遍应用于诸多领域的换热问题中,如在反应堆工程领域的核心组件冷却问题中。受矩形这一几何特征的影响,矩形窄通道内的流阻和传热特性与圆形窄通道不同。当板状燃料元件反应堆处于事故工况时,如失流事故、堵流事故和小破口事故,堆芯矩形窄通道内的冷却剂流量降低,流体从湍流转变到层流状态的过程中存在过渡流阶段。目前对矩形窄通道内过渡流问题的研究较少,计算时将过渡流视为湍流或采用线性插值的方法进行处理,这种处理方式会给矩形窄通道内流动和传热的计算引入很大的不确定性,影响系统设计的精确性。为研究矩形窄通道内过渡流的流动及传热特性,本文对不同窄缝宽度的矩形窄通道进行模拟,考虑入口条件与几何条件对过渡流的影响。基于模拟获得数据对矩形窄通道内层流-过渡流-湍流关系式进行拟合,使用拟合关系式修改RELAP5程序源代码,并应用到IP200反应堆事故工况中进行瞬态计算。为模拟矩形窄通道内的过渡流流动,首先需从现有过渡流模型中选择出预测内部过渡流流动的最佳模型。本文使用ANSYS-Fluent19.0流体力学计算软件以直径0.004 m、管长1.6 m的圆管为基准案例,对雷诺数为1200-8000的流动进行模拟,将模型预测得到的结果与实验数据及理论公式计算结果进行对比,评估各模型的适用性,选择最佳模型。通过对比发现,在现有几种过渡流模型中,原始过渡SST模型在满足计算精度的同时最能符合管内过渡流流动的计算需要。为研究内部过渡流的流动特性,使用原始过渡SST模型进一步对雷诺数为1200-8000时的圆管内部流动进行模拟,分析流体沿流动方向上的摩擦阻力系数、不同横截面上的径向湍流强度分布及速度分布情况。模拟结果显示,在过渡流中沿流动方向上截面的速度分布及湍流强度分布变化情况与在层流及湍流中的变化情况相比有不同的特性。在上述工作基础上,使用原始过渡SST模型对矩形窄通道进行数值模拟。为研究不同入口条件、窄缝宽度对流体流动及传热特性的影响,在雷诺数1670-5970条件下,选择入口湍流度1%或5%,对窄缝宽度为0.001 m-0.002 m的矩形窄通道进行模拟。研究发现:(1)从矩形窄通道入口开始,流体局部努赛尔数急剧下降,直到达到一个最小值;(2)在过渡流下,雷诺数越大,流体换热系数越高,到达充分发展所需入口段长度更小;(3)入口湍流强度越低,相同雷诺数条件下的沿流动方向上的局部努赛尔数越低,流体的层流临界雷诺数越高;(4)窄缝宽度越小,达到充分发展所需相对入口长度越短,非层流区充分发展努赛尔数越高。对比矩形窄通道模拟结果与经验关系式计算结果发现,目前用于计算摩擦阻力系数的关系式及内插法对矩形窄通道内层流-过渡流-湍流的计算误差在可接受范围内,而用于计算换热系数的经验关系式则计算误差较大,因此需对矩形窄通道内的层流-过渡流-湍流换热关系式进行拟合以建立精确度更高的换热关系式。在完成矩形窄通道内层流-过渡流-湍流换热关系式的拟合后,使用拟合关系式及Blasius关系式对RELAP5程序热工水力模块源代码进行修改,以板状燃料元件反应堆IP200为对象,对比源代码修改前后程序计算结果。通过对比分析发现,对事故工况下运行的IP200反应堆,程序源代码修改前后的模拟结果有明显差别,源代码修改后非能动安全系统的响应时间较源代码修改前响应时间晚。本文给出了模拟内部过渡流流动问题时的模型选择建议;说明了过渡流与层流及湍流相比具有的不同特性;分析了不同入口流速、矩形通道窄缝宽度、入口湍流强度对矩形窄通道内过渡流流动及传热特性的影响;拟合了矩形通道层流-过渡流-湍流关系式,并使用拟合关系式修改RELAP5程序源代码,对比源代码中热工水力模型修改前后RELAP5程序对IP200反应堆的模拟结果。本文对模拟内部过渡流问题时相关模型的选择、了解不同因素对过渡流流动与传热特性的影响及矩形通道层流-过渡流-湍流传热模型的发展有着重要意义。

关键词：过渡流矩形窄通道过渡SST模型公式拟合

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