【摘要】：隨著我國能源短缺和環(huán)境污染的加劇,如何提高能源利用率,減少能量在傳遞過程中的換熱損失已成為解決當(dāng)今社會(huì)能源需求和傳統(tǒng)化石燃料對環(huán)境污染等問題的重要舉措。在先進(jìn)核能和工業(yè)余熱利用等領(lǐng)域,各種形式的換熱器對提高能源利用率起到了至關(guān)重要的作用。但是隨著能源的枯竭,可利用熱源的品質(zhì)越來越低,換熱允許溫差也越來越小,這就對換熱器的性能提出了更高的要求。因此,現(xiàn)階段高耗能領(lǐng)域使用的換熱器不再拘泥于只采用常規(guī)流體(如水和空氣等)作為工質(zhì)進(jìn)行換熱,而是尋求更加特殊的介質(zhì)以提高換熱效率,適應(yīng)工程需要,特別是滿足使用過程中苛刻環(huán)境條件的要求,這就使得對基于特殊介質(zhì)的高效換熱器研究顯得尤為重要�；谏鲜霰尘�,本文針對以低普朗特?cái)?shù)液態(tài)鉛鉍合金(LBE)和復(fù)雜高溫?zé)煔鉃楣べ|(zhì)的換熱器的熱工水力特性開展了大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等工作,對換熱器內(nèi)液態(tài)LBE以及復(fù)雜高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)傳熱特性進(jìn)行了深入分析,發(fā)展了適用于這兩種高效換熱器的數(shù)值計(jì)算方法,搭建了相關(guān)換熱器的流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。著重探究了重力效應(yīng)、換熱器結(jié)構(gòu)、二次流強(qiáng)度以及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)等因素對換熱器性能的影響規(guī)律,獲得了壓降和傳熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,為特殊介質(zhì)換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。在液態(tài)LBE換熱器數(shù)值模擬方面,選擇了適用于液態(tài)LBE的湍流普朗特?cái)?shù)模型和熱物性表達(dá)式,結(jié)合湍流大渦模擬方法,獲得了不同Re數(shù)條件下圓管內(nèi)液態(tài)LBE的強(qiáng)制對流換熱特性。進(jìn)一步揭示了重力效應(yīng)對不同傾斜角和長徑比圓管內(nèi)液態(tài)LBE混合對流傳熱特性的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)影響圓管內(nèi)液態(tài)LBE對流傳熱的主要因素是圓管的傾斜角,而非長徑比。構(gòu)建了液態(tài)LBE-氦氣換熱器的三維全尺寸模型,掌握了多尺度模型和網(wǎng)格劃分技術(shù),獲得了主換熱器內(nèi)工質(zhì)的耦合換熱特性,提出了適用于液態(tài)LBE換熱器的壓降和傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。同時(shí),通過考察重力效應(yīng)對主換熱器壓降和傳熱性能的影響規(guī)律,給出了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上換熱器合理的設(shè)計(jì)傾斜角度。實(shí)驗(yàn)方面,設(shè)計(jì)搭建了液態(tài)LBE-氦氣流動(dòng)換熱綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對液態(tài)LBE主換熱器的熱工水力性能進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。通過開展氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)預(yù)研,液態(tài)LBE和氦氣變流量、變溫實(shí)驗(yàn)以及壓縮機(jī)驟停等瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,獲得了極端條件下液態(tài)LBE-氦氣換熱器傳熱性能的變化規(guī)律與強(qiáng)化傳熱有效方法。在以復(fù)雜高溫?zé)煔鉃楣べ|(zhì)的主表面式換熱器數(shù)值模擬方面,創(chuàng)新地提出了半壁厚多周期性邊界條件,構(gòu)建了 CW型回?zé)崞鲾?shù)值模擬的三維流-固耦合換熱模型,掌握了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間的塊劃分技術(shù)。通過數(shù)值模擬,揭示了不同邊界條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)對回?zé)崞鳠峁にπ阅艿挠绊懸?guī)律,驗(yàn)證了工質(zhì)壓降在回?zé)崞骶C合性能中占據(jù)重要位置,在對回?zé)崞鬟M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮壓降和傳熱的綜合影響。進(jìn)一步探究了 CW型回?zé)崞髁飨蛘穹鶎べ|(zhì)流動(dòng)中產(chǎn)生的二次流強(qiáng)度和熱工水力特性的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在回?zé)崞鲀?nèi)部的轉(zhuǎn)向區(qū),工質(zhì)產(chǎn)生的二次流會(huì)更為明顯,且流向振幅的增加會(huì)進(jìn)一步引起二次流的增強(qiáng),進(jìn)而強(qiáng)化回?zé)崞鞯膿Q熱性能,但同時(shí)也引起了回?zé)崞鲏簱p的增加。根據(jù)大量的數(shù)值模擬結(jié)果提出了適用于CW型回?zé)崞鞯膲航岛蛡鳠彡P(guān)聯(lián)式,并獲得了回?zé)崞鲀?nèi)二次流強(qiáng)度與傳熱Nu數(shù)之間的定量關(guān)系式。在實(shí)驗(yàn)方面,設(shè)計(jì)了 CW型回?zé)崞髁鲃?dòng)換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái),完成了核心實(shí)驗(yàn)部件的選型,給出了實(shí)驗(yàn)操作流程和相關(guān)研究方案。本文采用CFD數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的手段,對基于特殊介質(zhì)的高效換熱器的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了深入研究,掌握了邊界條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對換熱器熱工水力特性的影響規(guī)律,提出了能夠準(zhǔn)確預(yù)測換熱器傳熱和壓降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,為發(fā)展特殊介質(zhì)的高效換熱器奠定理論基礎(chǔ),為提高能源的利用效率做出了一定的貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK172
【圖文】：

特殊的氣態(tài)換熱介質(zhì)。同時(shí)，為了保證微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)具有較高的布局靈逡逑活性、環(huán)境適應(yīng)性以及安全可靠性等，主表面式換熱器均采用特殊的制造材料以逡逑及高效緊湊式換熱結(jié)構(gòu)，這就使得其成為了集換熱介質(zhì)種類特殊、換熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜逡逑等特性于一體的高溫?fù)Q熱器。因此，研究復(fù)雜高溫?zé)煔庠谥鞅砻媸綋Q熱器中的流逡逑動(dòng)和傳熱特性，獲得準(zhǔn)確的傳熱和壓降關(guān)聯(lián)式，對加快微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，提逡逑高能源的利用效率也具有十分重要的作用。逡逑本文緊緊圍繞提高換熱設(shè)備能量利用效率問題，對采用特殊介質(zhì)作為工質(zhì)的逡逑高效緊湊式換熱器的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行研究，分別以低Ｐｒ數(shù)液態(tài)ＬＢＥ換熱器和逡逑基于復(fù)雜高溫?zé)煔鉃閾Q熱工質(zhì)的主表面式換熱器作為研宄對象，依托高性能計(jì)算逡逑服務(wù)平臺(tái)和液態(tài)重金屬綜合換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合ＣＦＤ數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等手逡逑段，探宄換熱器內(nèi)部特殊的液態(tài)ＬＢＥ工質(zhì)以及氣態(tài)復(fù)雜高溫?zé)煔夤べ|(zhì)的流動(dòng)和逡逑傳熱特性，研宄重力效應(yīng)、邊界條件、換熱器結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)等因素對工逡逑質(zhì)熱工水力特性的影響規(guī)律，獲得準(zhǔn)確的壓降和傳熱關(guān)聯(lián)式，以期對相關(guān)換熱器逡逑的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，為發(fā)展特殊介質(zhì)高效換熱器提供支撐，對提高能源的利用逡逑效率做出一定的貢獻(xiàn)。逡逑鉉質(zhì)子加速器ｅ邐ｆ邐＾逡逑，二：二二－．；＾．—ｒ－邐：邐＿邐燃燒室逡逑

逡逑圖１．２所示為ＴＡＬＬ換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的流程圖和全景圖。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含主回逡逑路（即液態(tài)ＬＢＥ回路）和二回路冷卻系統(tǒng)（即甘油回路）兩個(gè)部分，高度為６．８逡逑ｍ，總功率５５邋ｋＷ。液態(tài)ＬＢＥ回路最高溫度５００°Ｃ，最大自然對流速度為５０邋ｃｍ／ｓ，逡逑且換熱器內(nèi)部最大溫差１５０°Ｃ。實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂部壓力大約為ｌｂａｉ？，底部壓力則將近８逡逑ｂａｒ。實(shí)驗(yàn)用液態(tài)ＬＢＥ由４５％的金屬鉛和５５％的金屬鉍組成，同時(shí)為了保證實(shí)驗(yàn)逡逑結(jié)果的準(zhǔn)確性，整個(gè)主回路配備了液態(tài)重金屬氧控系統(tǒng)。逡逑ｉＲｔ枈喔雪ＰＳ逡逑ｔｔｆｅ靡：逡逑⑷ＴＡＩN實(shí)驗(yàn)臺(tái)流程示意圖邐（ｂ）邋ＴＡＬＬ實(shí)驗(yàn)臺(tái)全景圖逡逑圖１．２邋ＴＡＬＬ實(shí)驗(yàn)臺(tái)流程示意圖及全景圖［６］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｆｌｏｗ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｎｄ邋ｇｅｎｅｒａｌ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＴＡＬＬ邋ｆａｃｉｌｉｔｙ１６１逡逑Ｍａ等［６］在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了回路失流事故、泵斷電事故、加熱器故障、主功率逡逑過載、過度冷卻、啟動(dòng)和停機(jī)等瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，并用ＴＲＡＣ／ＡＡＡ程序?qū)ι鲜龉r逡逑進(jìn)行了數(shù)值模擬。他們發(fā)現(xiàn)，液態(tài)ＬＢＥ具有良好的自然循環(huán)特性和較高的安全性逡逑能。？＾等［２３］還開展了液態(tài)重金屬自然循環(huán)及其穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究

開發(fā)以及氧濃度控制等三個(gè)方面展開。而為了對液態(tài)ＬＢＥ的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行研逡逑宄，ＫＡＬＬＡ搭建了三個(gè)具有代表性的實(shí)驗(yàn)回路，分別為ＴＨＥＳＹＳ回路、ＴＨＥＡＤＥＳ逡逑回路和ＣＯＲＲＩＤＡ回路。圖１．３所示為ＴＨＥＳＹＳ實(shí)驗(yàn)回路的流程和實(shí)物圖。ＴＨＥＳＹＳ逡逑回路最高溫度為４５０°Ｃ，最大流量為１６邋ｍ３／ｈ，壓降為３邋ｂａｒ，設(shè)計(jì)功率２５０邋ｋＷ，逡逑液態(tài)ＬＢＥ容量為３００邋Ｌ，且實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝有精確的氧控系統(tǒng)。其主要對液態(tài)ＬＢＥ的逡逑測量技術(shù)進(jìn)行研究，從而建立起液態(tài)重金屬熱工水力特性數(shù)據(jù)庫，以此來驗(yàn)證開逡逑發(fā)的物理模型和ＣＦＤ計(jì)算代碼的準(zhǔn)確性［４２］。逡逑．丨，—２４００：：１＝＞＾５＾邐邋Ｋ＼＇邋ＩＶ逡逑＾廣－德Ｉ~栧義希體邋聞

本文編號(hào)：2792647