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中国工程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号:093479
横掠管束对流换热的壁面效应
李晓伟,雒晓卫,何树延,吴莘馨
(清华大学核能与新能源技术研究院,反应堆结构研究室,北京 100084)
(Tel:010E-mail: lixiaowei@tsinghua.edu.cn)
摘要:核能的发展对对流换热的研究提出了越来越高的要求,高温气冷堆核电站蒸汽发生器一次侧是
氦气横掠被壁面包围管束的对流换热问题。本文用数值计算方法研究了壁面对横掠管束对流换热的影
响。结果表明,壁面附近通道流体速度大于管束中心区域,壁面管束对流换热系数小于中心区管束,
但壁面附近管束热流大于中心管束。管束中心区域的的横向流速很大,使流体得到均匀混合。
关键词:高温气冷堆、横掠管束、对流换热、壁面效应
1 前言
核能是一种清洁高效的能源,对于解决我国的能源和环境问题具有重要意义。目前
国家已经逐渐加大对核能的投入。模块式高温气冷堆是先进的第四代核反应堆,具有固
有安全性、系统简化、发电效率高、连续装卸燃料和模块化建造等特点[1] 。模块式高温
气冷堆采用氦气作冷却剂,氦气将堆芯发热载出后传递给蒸汽发生器传热管内的水,水
被加热为过热蒸汽后推动汽轮机发电。氦气在蒸汽发生器内的流动过程是横掠被壁面包
围的管束的流动,其对蒸汽发生器的传热设计非常重要。
流体横掠管束流动换热是一种基本的对流换热形式,在能源、化工领域中有较为广
泛的应用。实际上对于所有管壳式换热器[2] ,其壳侧的流体横掠管束流动换热必然受壁
面的影响,但以前由于普通能源和化工行业中热流密度不高,对换热系数的计算要求不
严格,所以对壁面对横掠管束对流换热的影响的研究很少,而核能与高温气冷堆核电站
的发展对有壁面包围的横掠管束对流换热的计算提出了较高的要求。目前对于流体横掠
大体积自由管束的流动与换热做了较为充分的研究,包括数值和实验研究[3-6] ,并且已
经建立了成熟的阻力与换热经验公式。但目前对有壁面包围的管束内的流动与换热现象
的研究几乎为零,只有少数关于壁面对横掠单个圆柱流动影响的研究[7-10] 。从目前文献
中的数值计算结果可以看出,湍流k-ε模型可以对横掠管束流动与换热做出很好的预测。
本文将用数值计算方法研究壁面对横掠管束对流换热的影响。
2 数值方法
2.1、计算模型
图1 为数值计算的二维几何模型,沿x 方向有7 排管束,沿y 方向有5 层管束,5
层管束的里外侧均为壁面,工质沿x 方向流动。管束横向(沿y 方向)间距W=30mm ,
管束纵向(沿x 方向)间距L=25mm ,管束外径d=19mm ,壁面与最里、最外层管束中
心距离为W/2=15mm ,因此整个计算区域长175mm,宽150mm。网格单元总数量为22.2
万,网格最小尺寸为0.01mm,在管壁及壁面附近加密,使y +1 。
图1 几何模型
2.2、控制方程及边界条件
数值计算求解的控制方程为雷诺平均N-S 方程和能量方程。湍流模型采用k-ε模型,
k-ε湍流模型相关参数的取值为C =1.44, C =1.92 ,C =0.09 ,σ=1.0 ,σ=1.3 ,湍流普朗
ε1 ε2 µ k ε
特数σt=0.85 。管束表面为等壁温边界条件,上下壁面为绝热边界条件。进出口为周期充
分发展边界条件,流动介质为常物性氦气,流动雷诺数为38000 。控制方程的求解采用
Fluent 软件,速度与压力解耦采用SIMPLEC 算法,对流项的离散采用QUICK 格式,壁
面处理采用两方程模型,时间步长为0.0001s 。
3 结果与讨论
3.1、瞬时速度场
图2 为第四排(沿x 方向中间排)最下方圆柱表面x 方向的壁面摩擦力随时间的变
化曲线,从图中可以看出,壁面摩擦力随时间的变化呈现周期性,周期约为 0.15s ,壁
面摩擦力在每个周期内又有8 个峰值。与瞬时速度场相对比可以发现,每个周期对应着
速度场的8 次摆动
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