低温氦气在螺旋盘管换热器中对流换热的数值模拟

发布时间：2025-01-14 08:20

　　 针对大型氦低温系统液氮槽中的螺旋盘管换热器,建立三维仿真模型,模拟研究等壁温条件下低温氦气在盘管内部预冷过程中流动速度、温度及密度分布,分析盘管内氦气径向速度分布及换热系数沿螺旋角的变化特性。通过改变低温氦气的质量流量,研究流量变化对换热系数以及换热器出口温度的影响。结果表明低温氦气在螺旋盘管内流动受离心力影响,管内密度,温度及速度分布沿径向存在梯度,湍流在螺旋角>90°后进入完全发展阶段。在0.003 4～0.005 kg/s范围内增大质量流量,Nu数增加,压降增大,出口温度几乎不变。

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【部分图文】：

图1 螺旋盘管几何模型示意图

在超导托卡马克EAST低温系统的氦气预冷换热器中,约82K的低温氦气自上而下流过液氮浸泡的螺旋盘管。给定入口的质量流量,管壁温度保持不变,冷却管内流过的氦气。通过控制换热器结构参数对m为0.0034、0.0042、0.005kg/s三种不同质量流量条件下的流动换热特性进行....

图2 不同质量流量下真实气体与理想气体模型模拟压降结果与文献值对比

得到压降值与模拟值比较结果如图2所示:图2显示随着质量流量增加,管路压降逐渐增大,相较理想气体模型,真实气体模型的压降结果精确了15%。利用文献[16]报道的压降计算经验公式得到的压降值,与利用真实气体模型得到的模拟结果之间误差均≤5%,说明利用该模型得到的模拟结果准确可靠。

图3 盘管入口网格划分及网格无关性验证

使用ICEM对模型以O型切分的方式进行网格划分,盘管入口处网格划分如图3(a)所示,对近壁面区域网格进行加密,为保证近壁面处的计算精度,将Y+控制在<1的范围内,为节约计算成本,并保证计算精度,进行网格独立性验证,以D为400mm、入口雷诺数Re为60000为例,通过评测不同....

图4 不同螺旋角(?SymboljA@)截面径向连接线速度分布图

为研究低温氦气进入管路后的湍流发展情况,截取管路截面内侧(x/r=-1)至外侧(x/r=1)径向连接线上氦气流动速度大小分布如图4所示。由图可看出,刚进入管路时,管路氦流体速度在各个方向分布较均匀,随后随着角度增加,速度大小分布发生变化,内侧流速逐渐降低,外侧速度逐渐增加,速度中....

本文编号：4026664