自然对流换热系数计算方法研究_陈孟new

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1、自然对流换热系数计算方法研究陈孟黄庆翁羽蒋兴沈睿(上海核工程研究设计院，上海，200233)摘要：自然对流换热广泛地存在于核电厂的设备中，如反应堆压力容器顶盖内壁与一回路冷却剂之间即为自然对流换热。本文根据传热学相关理论，利用自然对流换热实验关联式和ANSYS有限元软件的结构稳态热分析，通过APDL语言编程进行迭代计算，从而求得自然对流换热系数。本文通过算例计算自然对流换热系数，并与实验结果进行比较，说明结果的准确性和该方法的可行性。关键词：自然对流换热系数，迭代计算，APDL编程TheComputationalMethodforHeatTransferFilmCoefficient

2、ofNatureConvectionChenMengHuangQingWengYuJiangXingShenRui(ShanghaiNuclearEngineeringResearch&DesignInstitute,Shanghai,200233)AbstractThispaperpresentsamethodforcomputingtheheattransferfilmcoefficientofnatureconvection.TheequationobtainedfromamassoftestsisusedaswellasANSYScode,andaniterationispe

3、rformancedbyusingAPDLlanguage.Anexampleisgiventoindicatethatthecomputedfilmcoefficientsarereasonablebycomparingwithexperimentaldata.Thismethodcanbeusedinstressanalysisofequipments.KeywordsFilmCoefficientofNatureConvection,iteration,ADPL1前言自然对流是指不依靠泵和风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。不均匀温度场造成了不均匀密度场，由此

4、产生的浮升力成为对流运动的动力。自然对流换热是指由自然对流引起的换热现象。自然对流换热广泛地存在于自然界中，如不用风扇强制冷却的电器元件的散热等。自然对流换热现象在核电厂中也广泛存在，如运行工况下，反应堆压力容器顶盖内壁与一回路冷却剂之间，由于流速很小，其换热形式为自然对流换热；另外，如堆芯补水箱的泄漏工况，泄漏流量很小，堆芯补水箱内部硼水与内壁之间是自然对流换热。在设备应力分析中，尤其是对于核安全1级设备，需要计算温度梯度引起的热应力，而温度分布需要通过热分析得到。在热分析过程中，一般情况下将流体温度作为边界条件施加到有限元模型中，同时施加相应的换热系数。因此换热系数是设备进行热分

5、析所需的设计输入。换热系数可由热工水力分析得到，但需要进行流体动力学分析，对于结构力学工程师来说具有较大的困难。本文根据传热学相关理论，利用自然对流换热实验关联式和ANSYS有限元软件的结构稳态热分析，通过APDL语言编程进行迭代计算，求得自然对流换热系数。2自然对流根据传热学相关理论，原则上自然对流换热准则方程式应为：2Nu=f(Gr,Pr)（1）3hn⋅Lg⋅α⋅L⋅∆T其中：Nu=为努塞尔数，表征壁面上流体的无量纲温度梯度；Gr=为格拉晓k2pνcp⋅µp夫数，表征浮升力和粘滞力的比值；Pr=为普朗特数，表征流体热边界层与流动边界层kp的相对厚度；hn为自然对流换热系数；L为特

6、征长度；kp为流体热传导率；g为重力加速度；α为体膨胀系数；ν为流体粘度；ΔT为壁温和流体表面温度之间的温差；μp为流体动力粘度；cp为流体比热。对于大空间自然对流换热，工程中广泛应用的是比公式（1）更简单的关联式：()nNu=C⋅Gr⋅Pr（2）或nkpg⋅α⋅L3h=C⋅⋅Pr⋅∆Tn（3）nL2ν其中C、n是由实验确定的常数，不同的表面形状及位置，其C、n值不同；相同表面形状和位置情况下，流体流动形式不同，其C、n值也不同，见参考文献[1]。该关联式用于大空间自然对流换热系数的计算，但可应用到比形式上的大空间更广的范围，因为在许多实际问题中，虽然空间不大，但热边

7、界层并不相互干扰，因而可以应用大空间自然对[2]流换热的规律计算。例如经实验验证，对于被同样加热的两个热竖壁形成的空气夹层（图1），底部封闭时，只要a/H>0.28，壁面的换热就可应用大空间的换热规律计算；底部开口时，只要b/H>0.01，壁面换热也可按大空间自然对流处理。因此，所谓的大空间，实际上只要边界层不受干扰就可以适用，不必拘泥于几何形式上的很大或无限大。图1两个热竖壁形成的空气夹层内的热边界层3计算方法对于结构热分析来说，主要目的是得到结构上的温