垂直管内含不可凝气体蒸汽的冷凝换热数值模拟_黄政

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1、第34卷第3期核动力工程Vol.34.No.32013年6月NuclearPowerEngineeringJun.2013文章编号：0258-0926(2013)03-0091-05垂直管内含不可凝气体蒸汽的冷凝换热数值模拟黄政中国核电工程有限公司，北京，100840摘要：在分析液膜和蒸汽-空气边界层，在质量、动量、能量和组分守恒方程的基础上建立数学模型，模拟空气对冷凝换热的影响，并考虑界面剪切力和吸入效应的作用。数值求解结果与Kuhn实验结果的比较表明，计算数据与实验数据吻合较好，验证了模型的正确性。

2、关键词：冷凝；不可凝气体；垂直管；界面剪切力；吸入效应中图分类号：TK124文献标志码：A1引言在先进核电厂非能动冷却系统的设计过程中，含不可凝气体蒸汽的冷凝换热是一个重要的工程问题。此时，经典的Nusselt凝结换热模型不再适用，一方面Nusselt模型假设蒸汽是静止的，忽略了平行于液膜的界面剪切力以及垂直于液膜的速度对液膜厚度的影响；另一方面Nusselt模型只适用于纯蒸汽环境，而当蒸汽中含有不可凝气体时，即使是微量的，也会在蒸汽与冷凝液膜之间形成气体边界层，显著削弱凝结换热。工程实践证实，如果水蒸

3、汽中含有1%的空气，就会使冷凝传热系数降低约60%[1]。关于含不可凝气体蒸汽的冷凝换热现象，国内外学者进行了大图1垂直管内冷凝换热物理模型与节点划分Fig.1ModelandNodalizationofCondensationHeat量实验和理论研究，分析方法大致分为３类：实验TransferinVerticalTube关系式法、边界层简化求解法和传质传热类比法。本文针对垂直管内含有空气蒸汽的冷凝换略曲率的影响。热现象，采用传质传热类比法模拟空气边界层，能量传递的过程可划分为３个关联部分：①考虑界面剪

4、切力和吸入效应的作用，并将求解结蒸汽-空气在管壁内侧的冷凝传热；②管壁的导果与Kuhn的实验[2]进行比较。热；③管壁外侧与冷却水的对流传热。下面分别对这3个部分建立控制方程。2物理模型及数值计算方法2.2数值计算方法2.1几何模型及网格划分2.2.1管内冷凝模型对于管内蒸汽冷凝过程，垂直管内冷凝换热的物理模型和节点划分如分为2个区域进行考虑：①蒸汽-不可凝气体的气图１所示。模型假设条件如下：①蒸汽与空气温相区；②管壁冷凝液膜的液相区。度相等、流速相同；②液膜内温度线性分布；③（1）动量方程：由垂直方向

5、力平衡分别列出液膜流动缓慢，忽略液膜的惯性力项；④总压沿这2个区域的动量方程：轴向变化可忽略；⑤液膜厚度相对管径很小，忽液相区：收稿日期：2012-02-25；修回日期：2012-09-1092核动力工程Vol.34.No.3.2013表1传递系数关系式，吸入效应修正和吸入因子Table1TransferCoefficientCorrelations,SuctionEffectModificationandBlowingParameters关系式传递类型吸入效应修正吸入因子层流湍流动量f160.25

6、f2fmcondofo0.0791RefRefo2exp(f)1Gb(fo2)0.80.5Sthhmcond能量Nuo4.364Nuo0.022RePrStexp()1hGSth,ohbh,o0.80.5Stmmmcond质量Sho4.364Sho0.022ReScmStm,oexp(m)1GbStm,o2dulgdp0（1）Wl2lmDncWm（11）dydznc,imync,itot,ii汽相

7、区：Wvdpg4i2udum（2）DHm(Wv,bWv,i)（12）dzmd2mmdzyiinShD12Hmifm(umul,i)din2（5）结构方程：动量、能量和质量传递系数（2）能量方程：对于蒸汽-空气混合气体与冷的关系式见表1。冷凝使得垂直于液膜界面的速凝液膜的传热，考虑对流显热传热以及相变引起度分量不为零，导致液膜减薄，动量、能量和质的潜热传热2部分。能量方程为：[4]量的输运得到增强，称为吸入效应。为考虑该qhl(TiTw,in)

8、mcondhfghs(Tm,bTi)（3）效应，还需要对相关变量进行修正（表1）。其中，为考虑液膜转变为湍流后对换热的增强作下标o表示不考虑吸入效应，不带下标则表示考[3]用，hl采用Blangetti关系式计算：虑吸入效应。Nu(Nu4Nu4)1/4（4）2.2.2管壁导热模型圆柱管壁径向的热流量ll,lal,t的表达式为：LNul,la（5）Tw,outTw,inΦ（13）bcr1lndoutNul,taRel