螺旋管内水和蒸汽局部传热特性研究

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1、第１１卷第１期热科学与技术Ｖｏｌ．１１Ｎｏ．１２０１２年３月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｒｍａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｒ．２０１２文章编号：１６７１－８０９７（２０１２）０１－００２７－０７ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－８０９７．２０１２．０１．００５螺旋管内水和蒸汽局部传热特性研究朱宏晔，杨星团，居怀明，姜胜耀（清华大学核能与新能源技术设计研究院，北京１０００８４）摘要：以高温气冷堆蒸发器为背景，采用ＦＬＵＥＮＴ软件模拟了单相水和蒸汽在不同尺寸螺旋管内部的流动和传热过程，研究了壁面局部传热特性

2、。计算结果表明，远离螺旋中心线一侧局部传热较强而靠近螺旋中心线一侧传热较弱，壁面Ｎｕ周向分布非常不均匀。管径与螺旋直径之比是主要影响因素，当其值增大时截面温度极值点向螺旋中心线外侧移动，加剧了温度分布和Ｎｕ分布的不均匀性。在层流向湍流过渡区内，Ｒｅ的增大使截面各点温度梯度均有所增加，同时也增大了Ｎｕ周向分布的不均匀程度，但在旺盛湍流区内Ｒｅ对Ｎｕ分布无明显影响。壁面热边界条件形式对局部Ｎｕ周向分布没有显著影响。给出了局部Ｎｕ的估算式。关键词：螺旋管；数值模拟；湍流；传热系数中图分类号：ＴＫ１２４文献标识码：Ａ［５］中给出了Ｎｕ沿周

3、向分布，但并未做深入研究。０引言Ｊａｙａｋｕｍａｒ通过数值模拟研究了单相水在螺旋管螺旋传热管具有结构紧凑、传热能力强的特内的传热特性，拟合出了截面平均Ｎｕ计算公式，点，已被广泛应用于各种换热器和蒸发器。尤其在此基础上考虑了周向的不均匀性并引入了修正是大多数高温气冷堆核电站（如德国ＴＨＴＲ－系公式；但其修正公式中没有考虑Ｒｅ和螺旋管３００、英国ＡＧＲ以及我国的ＨＴＲ－１０和ＨＴＲ－［６］结构参数对局部Ｎｕ的影响，仍存在局限性。［１］ＰＭ等）都采用螺旋管型直流蒸汽发生器。研究本文以高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器为应用螺旋管内传热特性进而提

4、高蒸发器传热能力，对背景，希望通过ＣＦＤ数值模拟研究单相水和蒸汽于高温气冷堆核电站有重要意义。在螺旋管内的局部传热特性，分析Ｒｅ、管径和螺有关螺旋管内传热过程的研究已经较多，其旋直径对局部Ｎｕ的影响，并最终给出估算公式。中一些实验结果已经被总结为经验公式并能够很本文的结果将为优化高温气冷堆蒸汽发生器设计好地预测螺旋管壁的平均Ｎｕ，如用于层流的优化、提高传热效率提供理论依据。Ｍａｎｌａｐａｚ－Ｃｈｕｒｃｈｉｌｌ公式、用于过渡区的１数值模型和计算方法Ｇｎｉｅｌｉｎｓｋｉ和Ｐｒａｔｔ公式以及用于旺盛湍流区的［２－４］Ｐｅｔｈｕｋｏｖｃｏ

5、ｒｒｅｌａｔｉｏｎ和Ｓｃｈｍｉｄｔ公式等。然１．１螺旋管的结构特点及网格划分而，Ｎｕ沿螺旋管周向分布并不均匀。其中，远离本文研究对象为螺旋盘管（ｈｅｌｉｃａｌｃｏｉｌ）。与螺旋中心线的壁面附近受到二次流的作用从而具平面盘管（ｓｐｉｒａｌ）不同，螺旋管各圈具有相同的螺有较高的传热系数；而靠近螺旋中心线附近的壁旋直径和均匀的螺距，结构如图１所示；其中ｄ面传热较弱，其局部传热系数甚至低于同等条件为管内径，Ｄ为螺旋直径，Ｈ为螺距，τ为管内径下直管的传热系数。关于螺旋管周向传热系数分与螺旋直径之比（ｄ／Ｄ）。在螺旋管横截面中靠近布的实验研究

6、仍比较少。Ｐｉａｚｚａ通过数值模拟研螺旋中心线的点称为内侧，而远离螺旋中心线的究了螺旋管内流动阻力特性和传热特性，在算例点为外侧。螺旋管内流体在流动过程中将受到离收稿日期：２０１２－０２－２０；修回日期：２０１２－０３－１８．基金项目：教育部博士学科点专项科研基金资助项目（２０１００００２１２００３６）；国家重大科技专项经费资助项目（ＺＸ０６９０１）．作者简介：朱宏晔（１９８２－），男，内蒙古宁城人，博士，助理研究员，主要从事反应堆热工水力学研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｈｙ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ２８热科学与技术第１１卷心力

7、的作用，且离心力大小在截面分布不均的计算模型来确定，相关分析可参考文献［７］。本匀———内侧离心力大，而外侧离心力小。在此离文中各模型第一层网格距离壁面均取为０．０２心力场的作用下，流体在沿管长方向流动的同时ｍｍ，可满足所有工况的计算精度要求。另外，经产生了径向的二次流并出现了漩涡（Ｄｅａｎ涡），从网格无关性检验，网格密度超过４×１０８－３后继ｍ而增强了对壁面边界层的扰动，提高了传热性能。续增加网格密度对计算结果已无明显影响。螺旋直径Ｄ越小，相同流速下离心加速度越大；同时，管径ｄ越大，横截面上流体受离心力差异越大；因此二者之比τ越

8、大越容易产生Ｄｅａｎ涡，文献中常以Ｒｅ和τ组合为Ｄｅ来描述螺旋管内流动，其定义为Ｄｅ＝Ｒｅ槡τ（１）图２计算采用网格（ｄ＝１０ｍｍ，Ｄ＝２００ｍｍ）Ｆｉｇ．２Ｇｒｉｄｏｆｈｅｌｉｃａｌｌｙ－ｃｏｉｌｅｄｔｕｂｅｕｓｅｄｆｏｒａｎａｌｙｓｉｓ（ｄ＝１