為準(zhǔn)確預(yù)測安全殼上封頭的自然對流換熱特性以保證堆芯余熱安全排出,設(shè)計了采用底部弧形加熱段的矩形封腔自然對流裝置,研究導(dǎo)熱率對底部弧形加熱段和封腔內(nèi)流體溫度分布的影響,并基于開源軟件Open FOAM,采用數(shù)值模擬方法對比分析2種湍流模型和3種湍流熱通量模型的適用性。結(jié)果表明,流體沿弧形面的流動受邊界層和繞流脫體強化現(xiàn)象的影響,局部自然對流換熱強度從頂部向兩端先減小后增大;材料熱導(dǎo)率對弧形面的溫度分布影響比較大,但對于加熱段外的流體溫度分布影響極小;經(jīng)過對AFM模型進行修正,得到了更適用于實驗條件的模型參數(shù)值,修正后的模型對流體速度場的模擬更為準(zhǔn)確且在更高功率工況下也得到驗證。本研究可為后續(xù)方案設(shè)計的有效性評價提供參考。 

【文章來源】：核動力工程. 2020,41(01)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

試驗段示意圖Fig.1SchematicDiagramofTestSection

曾未等：大空間內(nèi)底部弧形加熱段自然對流傳熱特性研究201不規(guī)則的六面體網(wǎng)格。此外，針對與流體接觸的各壁面進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量為：固體域共4876個，流體域共59856個。圖2網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2SchematicDiagramofMeshGeneration本文采用Launder-Sharma低雷諾數(shù)k-ε湍流模型和v2-f湍流模型以及不同的湍流熱通量處理模型進行模擬計算。Launder-Sharma低雷諾數(shù)k-ε模型對標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進行了修正，修正后的湍動能（k）和湍動能耗散率（ε）的控制方程為：iikuxtijitikijijkuuuxxxxx（1）11titiiiufCxxxk222222ijiitjijjuuuufCxxxkx（2）式中，u為速度均值；下標(biāo)i和j為笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)軸方向；和t分別為層流和湍流粘性系數(shù)；x為距離；、k都為常數(shù)；f1、f2、C1、C2都為標(biāo)識模型中的常系數(shù)。v2-f湍流模型是基于雷諾應(yīng)力模型適當(dāng)簡化并拓展而來的一種非線性湍流模型，其控制方程為：221223/1iifkPfLCCxxTk（3）式中，L為特征長度；P為湍動能產(chǎn)生項。準(zhǔn)確預(yù)測湍流自然對流的難點之一是湍流熱通量（iu）的處理。目前iu的常用處理方法主要包括以下3種：（1）簡單梯度擴散假設(shè)（SGDH模型）SGDH模型采用均勻湍流普朗特數(shù)假設(shè)，對iu的處理如下：titiTuPrx

202核動力工程Vol.41.No.1.2020數(shù)據(jù)如表1所示。其中，tw為弧形加熱段上19個穩(wěn)態(tài)溫度的均值，t∞為換熱器進出口穩(wěn)態(tài)溫度均值；溫差（Δt）為tw和t∞的差值。取弧形面最外層19個測點與熱阱溫度的差值進行分析，得到了不同弧度（φ）下Δt的分布結(jié)果，如圖3所示。圖3均勻熱流密度下弧形面溫度分布Fig.3TemperatureDistributionofCurvedSurfaceunderUniformHeatFlux由圖3可知，不銹鋼和銅材質(zhì)的弧形加熱段的溫度都近似呈M形對稱分布，即沿著弧形加熱段中心向兩邊的溫度趨勢相似。此外，弧形面頂端（φ=0°）處于局部極小值，這表明在頂端位置具有更強的對流換熱效果，大量熱量從加熱面頂端直接被帶走。加熱段兩側(cè)具有較低的溫度值則說明兩端位置處的冷卻作用明顯，也可認(rèn)為此位置是沿壁面流動的起始點。可以發(fā)現(xiàn)，弧形面溫度峰值出現(xiàn)在φ=±（40°~50°），此處對流換熱達到了極小值，可能為邊界層分離點�？梢酝茰y，水箱內(nèi)的去離子水受熱后在密度差的驅(qū)動下沿著弧形面向上流動，邊界層厚度不斷增加，對流換熱系數(shù)也不斷減小，導(dǎo)致溫度持續(xù)上升；而在φ=±（40°~50°）位置前后的逆壓梯度作用下，發(fā)生繞流脫體，從緊靠弧形面的地方抬起進入主流，與主流摻混，從而強化了壁面換熱。對比同一加熱功率下不同材料制成的加熱段頂部弧形面溫度分布可知，在相同的加熱功率下，銅制成的加熱段弧形面Δt要小于不銹鋼，且不銹鋼制成的加熱段Δt不均勻性更強，壁面處的對流換熱強度差異性更大。2.2熱分層特性同加熱段內(nèi)溫度分布一樣，實驗發(fā)現(xiàn)不同加熱功率下的熱分層趨勢極為相似，下面僅對均勻

【參考文獻】：
期刊論文
[1]矩形封閉腔內(nèi)底部弧形面加熱自然對流換熱實驗研究[J]. 堯俊,陳彬,焦守華,柴翔,楊燕華.  核技術(shù). 2018(07)



本文編號：3328501