大空间内底部弧形加热段自然对流传热特性研究
发布时间：2021-08-07 20:36
为准确预测安全壳上封头的自然对流换热特性以保证堆芯余热安全排出,设计了采用底部弧形加热段的矩形封腔自然对流装置,研究导热率对底部弧形加热段和封腔内流体温度分布的影响,并基于开源软件Open FOAM,采用数值模拟方法对比分析2种湍流模型和3种湍流热通量模型的适用性。结果表明,流体沿弧形面的流动受边界层和绕流脱体强化现象的影响,局部自然对流换热强度从顶部向两端先减小后增大;材料热导率对弧形面的温度分布影响比较大,但对于加热段外的流体温度分布影响极小;经过对AFM模型进行修正,得到了更适用于实验条件的模型参数值,修正后的模型对流体速度场的模拟更为准确且在更高功率工况下也得到验证。本研究可为后续方案设计的有效性评价提供参考。
【文章来源】：核动力工程. 2020,41(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
试验段示意图Fig.1SchematicDiagramofTestSection
曾未等：大空间内底部弧形加热段自然对流传热特性研究201不规则的六面体网格。此外，针对与流体接触的各壁面进行网格加密，网格划分结果如图2所示。最终划分的网格数量为：固体域共4876个，流体域共59856个。图2网格划分示意图Fig.2SchematicDiagramofMeshGeneration本文采用Launder-Sharma低雷诺数k-ε湍流模型和v2-f湍流模型以及不同的湍流热通量处理模型进行模拟计算。Launder-Sharma低雷诺数k-ε模型对标准k-ε模型进行了修正，修正后的湍动能（k）和湍动能耗散率（ε）的控制方程为：iikuxtijitikijijkuuuxxxxx（1）11titiiiufCxxxk222222ijiitjijjuuuufCxxxkx（2）式中，u为速度均值；下标i和j为笛卡尔坐标系下的坐标轴方向；和t分别为层流和湍流粘性系数；x为距离；、k都为常数；f1、f2、C1、C2都为标识模型中的常系数。v2-f湍流模型是基于雷诺应力模型适当简化并拓展而来的一种非线性湍流模型，其控制方程为：221223/1iifkPfLCCxxTk（3）式中，L为特征长度；P为湍动能产生项。准确预测湍流自然对流的难点之一是湍流热通量（iu）的处理。目前iu的常用处理方法主要包括以下3种：（1）简单梯度扩散假设（SGDH模型）SGDH模型采用均匀湍流普朗特数假设，对iu的处理如下：titiTuPrx
202核动力工程Vol.41.No.1.2020数据如表1所示。其中，tw为弧形加热段上19个稳态温度的均值，t∞为换热器进出口稳态温度均值；温差（Δt）为tw和t∞的差值。取弧形面最外层19个测点与热阱温度的差值进行分析，得到了不同弧度（φ）下Δt的分布结果，如图3所示。图3均匀热流密度下弧形面温度分布Fig.3TemperatureDistributionofCurvedSurfaceunderUniformHeatFlux由图3可知，不锈钢和铜材质的弧形加热段的温度都近似呈M形对称分布，即沿着弧形加热段中心向两边的温度趋势相似。此外，弧形面顶端（φ=0°）处于局部极小值，这表明在顶端位置具有更强的对流换热效果，大量热量从加热面顶端直接被带走。加热段两侧具有较低的温度值则说明两端位置处的冷却作用明显，也可认为此位置是沿壁面流动的起始点。可以发现，弧形面温度峰值出现在φ=±（40°~50°），此处对流换热达到了极小值，可能为边界层分离点。可以推测，水箱内的去离子水受热后在密度差的驱动下沿着弧形面向上流动，边界层厚度不断增加，对流换热系数也不断减小，导致温度持续上升；而在φ=±（40°~50°）位置前后的逆压梯度作用下，发生绕流脱体，从紧靠弧形面的地方抬起进入主流，与主流掺混，从而强化了壁面换热。对比同一加热功率下不同材料制成的加热段顶部弧形面温度分布可知，在相同的加热功率下，铜制成的加热段弧形面Δt要小于不锈钢，且不锈钢制成的加热段Δt不均匀性更强，壁面处的对流换热强度差异性更大。2.2热分层特性同加热段内温度分布一样，实验发现不同加热功率下的热分层趋势极为相似，下面仅对均匀
【参考文献】：
期刊论文
[1]矩形封闭腔内底部弧形面加热自然对流换热实验研究[J]. 尧俊,陈彬,焦守华,柴翔,杨燕华. 核技术. 2018(07)
本文编号：3328501
【文章来源】：核动力工程. 2020,41(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
试验段示意图Fig.1SchematicDiagramofTestSection
曾未等：大空间内底部弧形加热段自然对流传热特性研究201不规则的六面体网格。此外，针对与流体接触的各壁面进行网格加密，网格划分结果如图2所示。最终划分的网格数量为：固体域共4876个，流体域共59856个。图2网格划分示意图Fig.2SchematicDiagramofMeshGeneration本文采用Launder-Sharma低雷诺数k-ε湍流模型和v2-f湍流模型以及不同的湍流热通量处理模型进行模拟计算。Launder-Sharma低雷诺数k-ε模型对标准k-ε模型进行了修正，修正后的湍动能（k）和湍动能耗散率（ε）的控制方程为：iikuxtijitikijijkuuuxxxxx（1）11titiiiufCxxxk222222ijiitjijjuuuufCxxxkx（2）式中，u为速度均值；下标i和j为笛卡尔坐标系下的坐标轴方向；和t分别为层流和湍流粘性系数；x为距离；、k都为常数；f1、f2、C1、C2都为标识模型中的常系数。v2-f湍流模型是基于雷诺应力模型适当简化并拓展而来的一种非线性湍流模型，其控制方程为：221223/1iifkPfLCCxxTk（3）式中，L为特征长度；P为湍动能产生项。准确预测湍流自然对流的难点之一是湍流热通量（iu）的处理。目前iu的常用处理方法主要包括以下3种：（1）简单梯度扩散假设（SGDH模型）SGDH模型采用均匀湍流普朗特数假设，对iu的处理如下：titiTuPrx
202核动力工程Vol.41.No.1.2020数据如表1所示。其中，tw为弧形加热段上19个稳态温度的均值，t∞为换热器进出口稳态温度均值；温差（Δt）为tw和t∞的差值。取弧形面最外层19个测点与热阱温度的差值进行分析，得到了不同弧度（φ）下Δt的分布结果，如图3所示。图3均匀热流密度下弧形面温度分布Fig.3TemperatureDistributionofCurvedSurfaceunderUniformHeatFlux由图3可知，不锈钢和铜材质的弧形加热段的温度都近似呈M形对称分布，即沿着弧形加热段中心向两边的温度趋势相似。此外，弧形面顶端（φ=0°）处于局部极小值，这表明在顶端位置具有更强的对流换热效果，大量热量从加热面顶端直接被带走。加热段两侧具有较低的温度值则说明两端位置处的冷却作用明显，也可认为此位置是沿壁面流动的起始点。可以发现，弧形面温度峰值出现在φ=±（40°~50°），此处对流换热达到了极小值，可能为边界层分离点。可以推测，水箱内的去离子水受热后在密度差的驱动下沿着弧形面向上流动，边界层厚度不断增加，对流换热系数也不断减小，导致温度持续上升；而在φ=±（40°~50°）位置前后的逆压梯度作用下，发生绕流脱体，从紧靠弧形面的地方抬起进入主流，与主流掺混，从而强化了壁面换热。对比同一加热功率下不同材料制成的加热段顶部弧形面温度分布可知，在相同的加热功率下，铜制成的加热段弧形面Δt要小于不锈钢，且不锈钢制成的加热段Δt不均匀性更强，壁面处的对流换热强度差异性更大。2.2热分层特性同加热段内温度分布一样，实验发现不同加热功率下的热分层趋势极为相似，下面仅对均匀
【参考文献】：
期刊论文
[1]矩形封闭腔内底部弧形面加热自然对流换热实验研究[J]. 尧俊,陈彬,焦守华,柴翔,杨燕华. 核技术. 2018(07)
本文编号：3328501
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3328501.html
