液态铅铋合金微通道内流动传热特性数值研究.pdfVIP

摘要

随着全球气候变暖的日益严重，化石能源产生的大量二氧化碳导致的环境

问题逐渐凸显，为响应可持续发展要求，实现能源行业环保转型，核电逐渐在

全球电力领域崭露头角。以液态铅铋合金为冷却工质的第四代核反应堆凭借其

众多优势在能源系统环境友好化、弹性化方面扮演着重要角色，铅铋合金是一

种低熔点合金材料，由44.5%的铅原子和55.5%的铋原子组成，铅铋合金冷却

剂是第四代反应堆计划中反应堆冷却系统的关键组成部分,液态铅铋合金换热

器作为核电系统重要的组成部件，改善液态铅铋合金换热器的综合性能尤为重

要，通过分析目前对于微通道换热器的研究现状可以发现，此类换热器具有十

分优异的综合性能，本文以反应堆冷却系统为研究背景，展开液态铅铋合金微

通道换热器的数值仿真研究。

本文首先针对核反应堆液态铅铋合金冷却剂的物性展开研究，依照温度变

化拟合液态铅铋合金物理特性，建立了液态铅铋合金的物性模型，利用物性模

型进行数值仿真研究，建立了液态铅铋合金微通道换热器数值仿真方法，利用

流动换热指标评估了矩形直通道液态铅铋合金微通道流动换热数值仿真结果，

细致分析了努塞尔数、传热系数等性能参数随进口速度、进口温度、热流密度

以及通道水力直径的变化规律。并开展了流道形状对液态铅铋合金微通道流动

传热性能影响研究，设计了三种不同角度的之字形通道，详细分析了之字形通

道角度改变所致的对流换热特性变化规律，研究结果表明之字形流道结构能够

强化流动扰动，其中15°之字形通道的换热强化效果最为突出。最后开展了

液态铅铋合金微通道截面形状研究，设计了与矩形通道水力直径相等的三角形、

半圆形微通道，详细讨论了不同横截面下液态铅铋合金微通道流动换热特性，

并且针对每种截面形状设计了相应的之字形液态铅铋合金微通道，细致分析了

截面形状和流道形状以及两种因素综合作用对液态铅铋合金微通道换热器的换

热性能影响规律。

本文研究结果表明之字形通道传热性能显著优于直通道，其中15°之字

形通道的传热性能显著高于30°之字形通道和45°之字形通道；针对液态铅铋

合金微通道换热器通道截面形状的研究结果显示三角形通道在大多数水里直径

上有着最好的传热性能，而半圆形通道的传热性能则显著低于三角形和矩形通

道。本文对液态铅铋合金微通道换热器的工质、工况、几何尺寸、流道形状和

截面形状展开了详尽的研究，为核反应堆液态铅铋合金微通道换热器设计提供

了可靠的预研理论基础。

本文基于评价指标对不同通道性能展开研究，讨论了之字形通道和直通道

的性能差异。本文研究结果显示，之字形通道的科尔本传热因子高于直通道，

其中15°角的之字形通道科尔本传热因子最高，而45°角的之字形通道传热

因子最低，但是范宁摩擦系数与科尔本传热因子呈现出拮抗作用，直通道的具

有最低的范宁摩擦系数，而15°角的之字形通道摩擦系数最高。为了综合考

量通道的传热性能与流动性能，本文引入了j/ƒ，j/ƒ1/3，JF和Nu/ƒ1/3综合评

价因子。研究结果显示，直通道在各个综合指标下均具有最佳的性能，在之字

形通道内，45°角结构具有最佳的综合性能，而15°角的综合性能最差，主

要原因是通道内部的压降较高，综合评价指标中范宁摩擦系数占据主导地位。

综上所述，本文对液态铅铋合金微通道换热器的工质、工况、几何结构、流道

形状、及截面形状进行了详尽的研究，为核反应堆中液态铅铋合金微通道换热

器的设计提供了可靠的理论基础。

关键词：铅铋合金；努赛尔数；微通道换热器；摩擦因子；传热因子

Abstract

Withtheincreasinglysevereglobalclimatechange,theenvironmental

problemscausedbythelargeamountofcarbondioxidegeneratedbyfossil

fuelsaregraduallybecomingprominent.Inresponsetotherequirementsof

sustainabledevelopmentandtheenvironmentaltransformationoftheenergy

industry,nuclearpowe