小尺度矩形通道内碳氢燃料流动及强化传热研究

发布时间：2020-05-09 23:04

【摘要】：小尺度矩形冷却通道在工业换热设备、核电站设备及航空航天动力热防护系统中应用十分广泛,其内部的流动传热过程倍受研究者们关注。其中,以超临界碳氢燃料为冷却剂工质的单面加热冷却通道不同于周向均匀加热的圆形冷却通道,存在跨临界流动、温度分布不均匀等自身特殊性。本文以毫米量级矩形通道为研究载体,开展了基于三维流/固/热耦合模型的流动传热数值计算和实验研究。本文采用物性计算方法对超临界压力下的正癸烷进行了热物性处理,并考虑高压影响对一些参数计算进行了修正,结果与NIST数据库对比平均误差在10%以内;为讨论单面加热件下通道内的温度不均匀现象形成机理及其对传热影响的规律,本文建立了四种不同通道高宽比AR=1,2,4,8数值计算模型,通过定义温度不均匀系数及有效湍流热扩散系数,详细分析了温度分层形成机理及对传热的影响,结果表明在一定范围内增加高宽比可以起到增强换热的效果;最后,通过对比计算有无固体域模型,说明考虑固体域耦合计算的必要性。在通道高宽比研究的基础上,为了探索在小尺度矩形通道内的强化传热方法,本文基于换热设备中常用的三种强化换热方式,粗糙元、三角翼涡发生器及壁面球凹陷,对比开展了强化换热机理及效果研究。结果表明涡发生器强化换热效果最明显,而球凹陷流动阻力最低。考虑压降损失影响,球凹陷强化换热方法在小尺度矩形通道内应用潜力很大。以球凹陷强化换热元为研究对象,考虑单通道侧壁影响效应,讨论了凹陷的排布间距及方式对通道内流动传热的影响。凹陷排布间距较小时,可以获得较好的强化换热效果,但是带来的压降损失也较大;在基于相同凹陷排布密度的前提下,相比于单排凹陷双排凹陷可以获得更高的换热性能和更低的流动损失。而且,两种排布方式下通道内的流动现象存在很大差异;相比于光滑通道,在一定温度范围(亚临界区)双排凹陷能够起到强化换热效果,而在超临界温区并不能获得强化换热效果。本文最后建立基于窄缝矩形通道的强化传热实验平台,对带有球凹陷的通道和光滑通道开展了不同预热段出口温度和冷却流量条件下的换热效果测量。实验结果表明,球凹陷可以明显起到强化换热效果,且在亚临界温度范围内传热温度增加,球凹陷强化传热效果逐渐增强。
【图文】：

窄缝通道,燃料组件

属于小通道的范畴[6,7]，如图1-1 所示。由于窄缝效应存在，这种通道本身传热效果优于常规通道的传热效应，单位堆芯体积内的传热面积大于棒状燃料组件。反应堆的裂变反应中，在厚度仅为几毫米的中子靶板上的热流达到 10MW/m2，所以为保障反应堆的安全运行，高效地疏散如此高的热流对冷却系统内的换热提出了严峻的考验[8]。设计靶板换热结构时，高强度传热、低功耗的换热器是目前关注的焦点之一。

入口温度,涡轮,推力,冷却技术

现在的高性能燃气轮机的透平入口温度在 2300K 左右，远远高于现有金属材料的使用温度上限，，因此就需要发展先进的冷却技术。如图 1-3所示，从燃气轮机诞生至今，为了不断提高燃气轮机的 RIT，工程科学家们发展了不同的冷却方法，以满足国防和工业需求。但是，随着人们在航空动力方面追求更大推重比、更高效率的发展趋势，现有的冷却技术不足以满足透平叶片的冷却需求。这就迫使主动冷却技术向着传热效果更佳的方向发展。因此，在面对未来大推重比、高负荷的燃气轮机发展需求时，发展更为先进的冷却技术对保障透平工作的可靠性和使用寿命有着重要的意义。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124

【参考文献】