（动力工程及工程热物理专业论文）摇摆条件下窄矩形通道内流动传热的大涡模拟.pdf

中文摘要 摘要 在海洋中航行的船舶，会产生摇摆运动，摇摆条件带来的周期性附加惯性力 会对船用动力装置回路冷却剂的流动与传热产生影响，进而对动力系统的运行产 生影响。为此，本文对工程上采用的窄间隙矩形冷却剂通道进行三维非稳态大涡 模拟( l e s ) ，来研究摇摆运动对窄矩形通道的流动与换热特性的影响。 本文通过建立大涡模拟的控制方程，选取合适的亚格子模型和依据不同的摇 摆条件运动方式构造非惯性坐标系下的外力模型，组成封闭的计算窄矩形通道流 动与换热的基本方程组；利用g a m b i t 构造窄矩形通道几何体，根据拓扑结构划分 合适的网格，生成可供n u e n t 计算的几何模型，构建成摇摆运动条件下的窄矩形通 道单相流动与换热数学物理模型，进行摇摆条件下单相流体流动与换热的l e s 数 值模拟。 为了验证亚格子模型以及分析窄矩形通道湍流特性，对包括壁面率、雷诺应 力和均方根脉动速度等湍流统计量进行了分析，并研究了摇摆运动对均方根脉动 速度和雷诺应力的影响。发现d s l m 在粘性底层能够很好的吻合s p a l d i n g 曲线， 但在对数区存在偏高现象；摇摆条件下的v 名的峰值较“纛和w 纛离壁面更远些， w 二，。和雷诺应力峰值明显外移，说明摇摆运动对湍流的抑制作用。 通过分析窄矩形通道单相水瞬态速度场和温度场，了解到其边界层区瞬态流 场空间分布以及时位变化特征和瞬态流场旋涡分布特征；对不同摇摆周期、摇摆 振幅和雷诺数下的结果进行对比，分析了不同摇摆周期、摇摆振幅和雷诺数下的 摩擦压降等参数的变化规律，并对摇摆状态与非摇摆状态下摩擦系数和n u s s l e t 数 的不同表现做进一步的机理分析，最后提出适合于摇摆状态下窄矩形通道单相流 体摩擦系数和n u s s l e t 数的关联式，实验数据、数值模拟数据和关联式计算值符合 很好。 关键词：窄矩形通道，摇摆条件，大涡模拟，流动与传热 一重塞i 大堂亟主堂堡垒塞 _ 一一 i i a b s t r a ct w h e nt h e s h i p i s s a i l i n gi n t h e o c e a n ， t h ef l u i dn o wa n dh e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fs h i p p o w e re q u i p m e n t sa r ei n n u e n c e db yt h ep e r i o d i ca d d i t i o n a l m e r t l af o r c e p r o d u c e d行o mt h er 0 1 1 i n gm o t i o n ，a n dt h u st h ep o w e rs y s t e m sa r e i n n u e n c e d h e n c ei ti si m p o r t a n tt os t u d yt h en u i dn o w a n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s o ft h i sk i n do fc 0 0 1 a n tc h a n n e l i nt h ep a p e r ，t h et h r e ed i m e n s i o n a lu n s t e a d vn u i dn o w a n dh e a tt r a l l s f e ri nn 附o wr e c t a n g u l a rc h a l l i l e l i ss i 砌1 a t e db yl a r g ee d d ys i m u l a t i o n m e t h o d ，t oi n v e s t i g a t et h ei n n u e n c e so fr 0 1 l i n gm o t i o no nn u i dn o wa n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt ov a l i d a t et h es u b 鲥dm o d e la n d t oa n a l y z et h et u r b u l e n c ec h a r a c t e r i s t i c s o tt h en a r r o w r e c t a n g u l a rc h a n n e l ， t h et u r b u l e n c e s t a t i s t i c s ， i n c l u d i n gw a u1 a w r e y n 0 1 d ss t r e s s ，r m sv e l o c i t y ，w e r ea n a l y z e d ，t h ei n n u e n c e so fr o l l i n gm o t i o no nt h e r 】s v e l o c i t ya n dr e y n o l d ss t r e s sw e r es t u d i e d w ef o u n dt h a td s l mh a sa2 0 0 d a 黟e e m e n tw i ms p a l d i n gc u r v ei nt h ev i s c o u ss u b l a y e r ，b u ti ti s h i g l l e ri nt h e l o g a n t h m i cr e g i o n ；t h ep e a ko fv 二。 i sf a 1 1 h e ra w a y 丹o mt h ew a l lt h a nt h eo n e o f “二，。 a n dw 二i nt h em l l i n gm o t i o n ，a n dt h e p e a l ( o f 吒。a 1 1 dr e y l l o l d ss t r e s sr e l o c a t e s i 盟i f i c a i l t l y ，w h i c hc e n i f i e st h a tt h er o l l i n gm o t i o ni i l l l i b i t st h et u r b u l e n c e t h et r a n s i e n tv e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r ef i e l di nt h en a r r o wr e c t a n g u l a rc h a l l n e lw e r e a n a l y z e d ，w e 伊a s pt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，t i m ec h a n g ea n dv o n i c e s d i s t r i b u t i o ni nt h eb o u n d a r yo ft h et r a n s i e n tn o w f i e l d ；t h er e s u l t so fd i f j e e r e n tr 0 1 1 i n 2 p 甜o d s ，r o l l i n g 锄p l i t u d ea 1 1 dr e y n o l d sn u m b e rw e r ec o m p a r e d ，a n dt h ev a r i a t i o no f t h e 衔c t i o np r e s s u r ed r o pi nd i 虢r e n tr 0 1 1 i n gp e r i o d s ，r 0 1 l i n g 锄p l i t u d ea n dr e y i l o l d s n u m b e rw a sa n a l y z e d ，t h ed i 虢r e n tp e r f o n i l a n c eo f 缸c t i o nc o e m c i e n ta n dn u s s e l t n u m b e ri nr o l l i n gm o t i o na j l dn o n r 0 1 1 i n gm o t i o nw e r em e c h a n i s ma n a l y z e dd e e p l y - f i n a l l y ，t h ec o r r e c t i o no fs i n g l e - p h a s en u i d 衔c t i o nc o e m c i e n ta n dn u s s e l tn u 】：i l b e ro f n a r r o wr e c t a n g u l a rc h a n n e lw e r ep r o p p o s e d ，t h ep r o p o s e dc o r r e c t i o nc a nw e u p r e d i c t t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa 1 1 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nd a t a k e y w o r d s ：n a r r o wr e c t a n g _ u l a rc h a n n e l ，r o l l i n gm o t i o n ，l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，f 1 u i d n o wa n dh e a tt r a n s f e r i i i 重鏖奎兰堡主堂垡笙奎 一 i v 主要符号表 主要符号表 符号单位 彳m 2 a r a a ? c pj k g k dm d 朋 e j n 矗艚 hm k w ( 新k ) 三m m p p a p r g 尼彤锄2 r，咒 尺e s fs t k s fs “，咒居 vm s 矿m 3 wm 7 s x y z 希腊字母表 符号单位 v i i 说明 面积 角加速度 比热容 与壁面距离 当量直径 内能 质量力 焓值 高度 导热系数 长度 努谢尔特数 压力 普朗特数 热流密度 矢径 雷诺数 应变速度张量 时间 温度，周期 时间 展向流速 法向速度 容积 流向速度 x 方向坐标 y 方向坐标 z 方向坐标 说明 重庆大学硕士学位论文 8 f 万 4 臼 p 口 r 西 下角标 符号 d 口 口1 曙 j g z ) 尼 ，竹 r m s 加， w r 上角标 符号 + v i i i 角加速度 总应力 厚度 间距2 总热通量 角度： 导热系数 动力粘度 密度 应力 亚格子应力 滤波函数 角速度 说明 静止工况 附加值 平均值 摩擦值 重力值 x 方向 y 方向 z 力向 最大值 均方根 摇摆情况 壁面区 湍流值 说明 无量纲化 脉动值 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 船舶在大海航行时，因风、浪、涌等海洋条件影响或采取机动动作而产生倾 斜、起伏、摇摆等多个自由度的空间运动，使得船用反应堆冷却剂流动及传热特 性与非海洋静止条件下的工况相比，遵循不同的规律。在摇摆条件下，冷却剂系 统冷源和热源之间的高位差将发生变化，冷却剂受到摇摆运动产生的附加惯性力 的影响，燃料元件将受到附加的横向冲刷。冷却剂的驱动压头、流动阻力系数以 及换热系数等参数会发生变化，造成燃料温度分布以及冷却剂流量和温度分布的 变化，进而影响堆内功率的输出和分布。如果冷却剂系统工作在自然循环方式下， 则浮升力驱动压头会发生明显的动态变化，对自然循环流动和传热特性造成较大 的影响；如果冷却剂系统工作在强迫循环方式下，则浮升力驱动压头的动态变化 会对惯性力压头起到或消或长的作用，对强迫循环流动和传热特性形成一定的影 响。因此，弄清楚摇摆条件影响船用反应堆热工水力特性的机理和规律非常重要。 在研究陆地重力场条件的内部强迫流动传热规律时，经典流体力学通常忽略 重力加速度g 的作用进行流体动力和运动学的分析，其合理性已经通过大量的实 验和机理研究得到证实。对于工作在重力场和瞬变附加外力场叠加条件下的反应 堆冷却剂强迫循环系统而言，平移加减速运动产生的加速度与重力加速度虽同属 保守力，但在冷却剂的流动方向上具有明显的时变特性；摇摆变速运动产生更为 复杂的加速度，取决于瞬时角速度、角加速度、质点到摇摆中心的距离、质点流 速等参数的大小和方向，这些加速度不属于保守力，在冷却剂的流动方向及其垂 直方向上具有明显的时位变化特性。这一情形下具有时位瞬变特征的加速度对于 内部强迫流动及传热特性的影响究竟如何、经典流体力学忽略加速度的分析方法 是否仍旧合理、基于势流理论、边界层理论以及传统对流换热理论所得到的一系 列关键科学结论是否仍然成立都需要通过较为系统的理论和实验研究进行检验和 评价。 本课题对船用动力系统采用的窄矩形冷却剂通道，应用大涡模拟( l a r g ee d d y s i m u l a t i o n ，l e s ) 方法数值研究摇摆运动条件下该类型通道内单相水流动与换热 的物理机制和宏观规律，为摇摆条件下窄矩形通道内热工水力特性的预测分析提 供可靠的机理模型，也为l e s 方法应用于摇摆条件下热工水力特性数值研究积累 成功经验。 重庆大学硕士学位论：贮 1 2 国内外研究现状 1 2 1 摇摆状态下流动与换热的研究 目前，针对摇摆状态下流动与换热的研究基本上都建立在船用反应堆动力装 置上的，由于涉及到敏感领域的原因，西方发达国家很少将此类动力装置热工水 力特性的研究成果公之于众。有限的公开资料表明，亚洲的日本、中国等国家和 地区的研究人员开展了摇摆条件下船用反应堆单相流动和传热特性的理论研究， 取得了一定研究成果。 在日本，由于多数船用反应堆以一体化布置的设计方案为主并强调其可靠的 自然循环能力，因此研究者主要针对摇摆条件下船用一体化反应堆自然循环特性 开展了研究，但其公开的文献中很难见到具体的研究细节，以摘要性介绍和典型 的研究结论为主。 据徐济鏊【1 推断，日本在船用一体化压水堆热工水力特性的研究至少包含三个 计划层面：( 1 ) 利用“陆奥 号核动力船进行海上船用堆行为研究；( 2 ) 以n s r 7 为原型进行陆上系列自然循环流动模拟研究；( 3 ) 设计和验证先进船用一体化反 应堆m r x 。 早在1 9 6 6 年，i s s h i k i 2 通过对两个简化的大气模型船用压水堆的堆芯回路在 周期性的起伏运动以及一定的倾斜角度条件下进行研究，在实验中发现一些重要 热工水力特性，并提出了船用反应堆在恶劣的海洋条件下安全运行的热工水力设 计准则。 t o m 0 0 等【3 5 】开展了一系列单相强迫对流试验，以氟利昂一1 1 3 为工质研究了周 期性变加速度条件对向上流过均匀加热的垂直环形通道内的临界热流密度。通过 理论和试验研究得到了流动波动导致临界热流密度减小的特性。结果表明，在高 出含汽率区域临界热流密度的恶化几乎可以完全归因于起伏运动引起的进出口流 量变化。对于给定的一个加速度变化，可以通过一个线性化传递函数来预测流动 波动的振幅。基于“局部条件假设 得到的瞬态临界热流密度预测值较为保守。 i s a o 等【6 开展了一项稳态单相循环的试验研究，以弄清倾斜效应对一体化船用 模型堆的影响。与倾斜角度的变化相对应，在自然循环回路内出现了数种流态。 由于在倾斜前的水平姿态下某处位置就已产生了驱动：力，回路一直到接近垂直的 时候都维持着较为稳定的流量。蒸汽发生器在倾斜姿态下的温度分布本质上只取 决于流体的提升高度。检验了所提出的一维分析模型的适用性，u 型管详细的流 动路径、路径之间的相互关系以及堆芯内温度分布函数对于改善工作条件非常重 要。 i s h i d a 等【7 8 】对基于一维模型的r e t r a n 0 2 做了适应不同附加加速度的模型 维数改进，研究了海洋条件对”陆奥”号反应堆热工水力特性的影响；并通过修正时 1 绪论 域分析程序r e t r a n 一0 2 g r v 中倾斜、起伏以及摇摆状态下的动量方程和能量方 程，计算了d r x 小型体化全自然循环压水堆堆芯的热工水力特性。阐明了回路 流动和堆芯流率与摇摆运动的雷诺数相关。 从日本的研究现状可以看到，日本研究者开展了以模块化试验和程序计算为 主的系列研究。研究中考虑的典型海洋条件所引起的船舶动作主要为静态倾斜、 起伏、摇摆，围绕这些动作对反应堆自然循环系统热工水力特性的影响，得到了 包括堆芯自然循环流量、堆芯传热能力以及堆芯临界热流密度等关系反应堆安全 运行的重要变化规律，这些成就反映了日本在船用反应堆热工水力特性研究方面 已经积累了比较丰富的经验，为该国海洋条件下船用反应堆安全运行提供了有利 的理论依据。 我国开展的摇摆条件下船用反应堆热工水力特性研究起步较晚，在理论研究 中，多位研究者通过构建摇摆条件下反应堆热工水力的数学物理模型，以日本“陆 奥”号核反应堆或同类型堆自然循环特性为对象进行计算分析，以此验证理论模 型的正确性，并在此基础上扩展了理论研究的范围，利用海洋条件下摇摆、起伏 试验装置对各种热工水力特性分别进行了基础性研究，获得了典型摇摆条件下各 种运动对单相以及单相流动和传热特性、单相流流型、流动不稳定性、含气率、 气泡行为特性以及临界热流密度等热工水力特性的影响规律。 哈尔滨工程大学核科学与技术学院研究团队的庞凤阁【9 1 、高璞珍等【1 0 为了研究 舰船反应堆一回路的自然循环能力受摇摆、起伏等运动的影响，建立了非惯性坐 标系下的流体质点受力的数学模型。 数学模型主要根据摇摆条件下的流体动量方程，惯性坐标系弘固定与地球， 非惯性坐标系d x ) ，1 z 可相对于皑弦坐标系作任意运动。设任意质点在非惯性坐标 系d x y z 中的相对速度l ，其中任意质点的矢径为，非惯性坐标系的平动速度为 ，并以角速度转动，则非惯性坐标系0 1 x y z 的动量方程为： 峰f = m ，一鲁c ，一尝， 一2 ，。 f 。+ 喇只幽 j ? 式中，f 、彳分别为非惯性坐标系中控制体的体积、表面积；，为惯性坐标系中 单位质量的质量力；只为表面应力；鲁为非惯性坐标系的平移加速度：尝为i j t l j t 非惯性坐标系的角加速度；( ，) 为质点向心加速度；害r 为质点切向加速 度；2 l ，为质点科氏加速度。 对于船体的复杂摇摆条件下的运动的情况，船舶相对与其初始位置做最多六 重庆大学硕士学位论：之 个自由度的平移和转动，因此需考虑冷却剂受以下因素的影响： n ， ( 1 ) 平移加速度兰卫； d t n ( 2 ) 转动加速度，其中向心加速度( r ) 、切向加速度竺，、科氏加 d f 速度2 v 。 高璞珍等【1 1 3 1 将船的起伏设成是一种简谐运动，竖直向上为正，平衡位置是 稳定状态的位置，船体的位移、速度、加速度都呈一种正弦或余弦规律变化，输 出时给定最大起伏加速度和起伏周期，其表达式为以( f ) = 一口。，s i n ( 2 力丁) 。 基于数学模型，高璞珍等用p a s c a l 语言编制了计算程序，分别计算了稳态、 倾斜、起伏和摇摆这几种情况下的自然循环能力。自然循环情况下，船按简谐规 律起伏或摇摆时，流量也呈周期性波动。起伏时，流量波动较大，且明显地按简 谐规律变化。起伏加速度越大，流量波动振幅越大。船起伏到最高点，此时船有 最大的向下加速度，之后短时间内，流量达最小值。船横摇时，流量波动较起伏 小，原因是各段附加压降有正有负，有一部分相互抵消。自然循环情况下，包壳 表面最高温度和芯块中心最高温度达不到各自的融化温度。 姜春林等1 4 】、杨钰等1 5 ，1 6 1 根据日本“陆奥”号：和动力船的结构和运行参数， 通过建立分析模型、利用m a t h c a d 进行数值模拟，研究了反应堆一回路的自然循 环能力受倾斜、摇摆、起伏等运动的影响规律。 庞凤阁等 17 】在一个常压回路上进行了摇摆和不：瑶摆时竖直环形通道内水强迫 流动时的临界热流密度试验。结果表明，摇摆使临：界热流密度降低，强迫循环摇 摆时的临界热流密度比不摇摆时的临界热流密度要低，并且临界热流密度值明显 变化主要集中在一定摇摆参数范围之内。 图1 1 摇摆试验装置示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r 锄o f r o l l i l l g a p p a r a t l l s 【1 8 】 4 l 绪论 谭思超等 1 妣2 通过试验研究了摇摆运动下的单相自然循环不稳定性和传热特 性，摇摆试验台实验装置如图1 1 所示。通过对要摇摆下的流体进行受力分析，并 考虑附加惯性力对流体流动的影响，得出重要结论：( 1 ) 摇摆使流体产生波动， 摩擦压降等的波动周期与摇摆周期一致，并且摇摆幅频增加，摩擦压降等波动幅 频随之增加；( 2 ) 摇摆有利于自然循环换热系数的提高，摇摆运动越剧烈，换热 系数提高越多。 栾锋【2 3 等研究了摇摆对单相流截面含气率的影响。在实验中采用两种管径， 两种管径都包含气一水单相流在非摇摆状态下和摇摆角度为2 0 。、摇摆周期为1 0 s 的摇摆状态下的试验，实验中水流量范围是0 2 1 5 m 3 l l ，气流量的范围是 o 2 8 。2 0 m 3 1 1 。实验结果表明：( 1 ) 当水流量较小时，摇摆使单相流的一些物理性 质发生变化；( 2 ) 随着水流量逐渐增加，摇摆对截面含气率的影响逐渐减小；( 3 ) 当水流量达到一定的值，摇摆对截面含气率的影响消失。 在摇摆条件下单相流流型研究方面，张金红等【2 4 2 5 1 、贾辉等 2 6 】针对竖直有机 玻璃管内简谐摇摆状态下气液单相流流型进行实验研究，提出了流型转换的准则 关系式，并将其与实验数据以及理论公式进行比较，结果表明，新的准则关系式 比稳态关系式能更好地预测摇摆状态下流型转换边界；在液相折算流速一样的情 况下，环状流形成需要更高的气体折算流速受管径、摇摆周期和摇摆角度等因素 影响；而气相折算速度一样的条件下，泡状流产生需要的液相流量在管径增加、 摇摆周期缩短或摇摆角度增大时而增大。 范广铭等 2 7 】以常温常压下的空气和水作为工质，研究摇摆状态下管内单相流 流型、压降和空泡份额。发现摇摆使混搅流在流型图中的区域扩大；摇摆角度相 同时，摇摆周期对泡状流的压差波动曲线影响较大，在摇摆周期、管径和气水折 算流速相同的条件下，摇摆角度越大，压差波动曲线的振幅越大。 曹夏昕等 2 8 通过建立质量守恒方程和弹状流稳态存在条件等方程，对摇摆状 态下数值管内充分发展的弹状流单元物理模型进行解析。在此基础上，给出摇摆 状态下弹状流平均空泡份额计算关系式，并与试验值进行比较，结果符合较好。 因此，该弹状流单元物理模型是进一步分析摇摆状态下弹状流流动特性的基础。 在摇摆条件下摩擦压降和流阻特性研究方面，曹夏听等【2 9 3 1 对摇摆状态下3 根管内单相水、环状流摩擦压降特性进行了研究。研究发现，在摇摆惯性力的作 用下，单相水流经光滑管时的摩阻系数有了很大变化。当雷诺数相同时，摇摆状 态下的摩阻系数实验值要大于稳定状态下的传统试验公式值，随时间周期性变化； 在摇摆条件下光滑竖直管内单相摩擦阻力系数不仅仅是雷诺数的函数，而且还受 管径、摇摆周期以及摇摆角度的影响。 张金红等 3 2 对内径为3 4 5 m m 水平有机玻璃管内的单相水在不同摇摆状态下 重庆大学硕士学位论：迂 的摩擦阻力特性进行了实验研究。研究结果表明：流速、摇摆周期和摇摆振幅等 因素对摩擦压降有一定影响，摩擦阻力系数呈周期性波动；在紊流光滑区，摇摆 状态下雷诺数任然是影响流动阻力特性的主要因素；摩擦阻力系数随着摇摆周期 的变化而变化，摩擦阻力系数波动随着摇摆周期增加而增加，变化周期等于摇摆 周期；提出计算摇摆状态下的摩擦系数实验关联式能反映摩擦系数的变化，与实 验值吻合很好。 在数值研究方面，杜思佳 33 将海洋条件下各种附加外力分解为平行和垂直流 动的分力，通过建立非惯性系下的动量方程，以解析方法得到了两个方向分力分 别作用下圆管内单相强迫层流流动的速度分布规律，流量关系式以及压降关系式； 并应用c f x 程序中的湍流尼一占模型计算了两个方向分力作用下、常压绝热的 1 0 m m 圆管内r e = 1 1 6 7 0 时的流速和压力分布。台湾学者w u 等【3 4 j 应用速度分布 的两层湍流尼一模型，研究了分别对以单相水和油作：勾工作介质的带肋圆管在简 谐起伏运动状态下的湍流传热特性。 1 2 2 窄矩形通道流动和换热的实验研究 窄矩形通道在工程应用中越来越广泛，逐渐受到人们的重视，国内外的学者 们针对窄矩形通道的流动与换热特性做了大量的实验研究。 在对窄矩形通道临界热流密度的研究方面，卢冬华等 35 3 6 】对窄矩形通道分别 进行了低速和高流速下临界热流密度试验研究，研究结果表明：在低质量流速下， 上升流窄间隙矩形通道内的临界热流密度受质量流速和临界含汽量的影响较明 显；临界热流密度随着流速的增加而呈线性增加，随出口含汽量的增加而减小； 试验值要高于s u d o 公式的预测值。临界热流密度受矩形通道的长度影响。黄军等 3 1 7 参考圆管环状流临界热流密度预测模型，建立了窄矩形通道环状流临乔热流密 度解析模型，发现该模型预测间隙小于o 5 聊m 窄矩形通道的c h f 值较好；通过计 算发现宽度比为2 5 8 5 的窄矩形通道c h f 值强化明显。 在不稳定性研究方面，卢冬华等【38 j 对断面尺寸为2 5 聊m 2 聊m ，加热长度为 1 0 0 0 m m 的双扁形矩形通道进行了密度波不稳定性实验研究，实验结果表明：稳定 流动的范围随质量流速，入口过冷度、压力的增加而增加；脉动周期随质量流速 的增加而变短，随入口过冷度的增加而增加。压力对脉动周期的影响较小。平行 矩形通道的无量纲过冷度。与相变数胁的关系和平行直圆管的结果基本重 合，长度和流道断面形状对流动不稳定的影响较小。 在研究窄矩形通道沸腾流动与换热方面，贾晓鸿等 39 1 、杨晓强等对大宽高 比( 1 o 6 0 聊聊，1 8 6 0 m 聊，2 5 6 0 聊聊) 矩形窄缝通道内水的两相沸腾流动与 换热特性进行了实验研究，分析了压力、窄间隙、热流密度、质量流量、含汽率 等参数对窄矩形通道内水的沸腾换热的影响，试验数据分别以均相流模型和分相 1 绪论 流进行处理，并得到了相应的修正经验关系式。实验结果表明：实验得到的矩形 窄缝通道内水的单相摩擦压降倍增因子与基于m s h i m a 公式形式拟合得到的数值 符合很好；得到窄矩形通道内沸腾换热经验关系式与实验数据吻合很好。秋穗正 等人 4 1 对间隙分别为o 6 m m ，1 0 9 m m ，1 5 6 m m 和2 0 3 m m 的矩形窄缝水平通道 内水的单相和饱和沸腾热工水力特性进行实验研究。获得了计算矩形窄缝水平通 道内水的单相和饱和沸腾的传热和流动阻力特性的经验关系式。实验结果表明， 狭窄通道中层流和紊流的摩擦系数和换热系数均大于常规通道的数值，摩擦系数 随间隙尺寸的减小而增大，饱和沸腾的传热系数随间隙尺寸的减小而降低。重庆 大学的潘良明等 4 2 4 3 对竖直矩形窄缝流道进行了过冷流动沸腾换热的实验研究， 考察了质量流速、断面平均过冷度、饱和压力、过冷流动沸腾起始点和沸腾压降 等问题。研究结果表明：( 1 ) 矩形窄缝流道内过冷流动沸腾起始点不同于其它流 道，沸腾起始点的修正关系式的修正系数受流道内的流速和压力条件影响；( 2 ) 在实验范围内，过冷沸腾换热系数随断面平均过冷度的降低而升高，随着质量流 速、压力的增加而增加，平均沸腾换热系数随质量流速的增加而增加。 在窄矩形通道自然对流换热方面，卢庆等人【4 4 】对竖直窄矩形通道空气自然对 流换热特性进行了实验研究，间隙分别为1 0 m m ，1 8 聊m 和2 5 m 聊。实验结果表明： 受实验段进出口端部效应的影响，流道出口上游出现壁面最高温度；壁面热流密 度呈现端部偏高、中部趋于平坦的趋势；实验得到的换热特性结果要略高于文献 中公式预测的结果，对实验数据可以按照无烟囱的情况进行拟合，没有烟囱的实 验段的拟合关系式为：m = o 2 6 3 尺口n 3 0 8 ，有烟囱的实验段的拟合关系式为： h ：o 2 7 3 尺以o 2 4 5 。 在两相流方面，王广飞等人 4 5 针对窄矩形通道气液两相流压降特性，对 4 0 聊m 1 6 m m 的窄矩形通道以空气和水为工质进行实验研究，研究结果表明，传 统的计算关系式均不适用于窄矩形通道内两相流动阻力的计算；而以窄矩形通道 为基础的l e e l e e 关系式误差相对较小，但预测值与实验值相比整体偏小。为此结 合实验数据，以分液相一分气相雷诺数之比r e ，r e ，为依据将流动分为两个区域， 分别对c h i s h o l m 关系式进行修正，修正关系式与实验数据的误差较小，能够很好 地预测实验结果。 在研究窄矩形通道的流场方面，曲新兴等【4 6 】进行了板状燃料组件窄缝流道流 速分布的实验研究，实验结果表明：横向平行窄缝单通道和纵向平行多通道间流 型不同，前者中流速分布呈中间流速高、边缘流速陡减的梯形分布，后者呈中间 流速低、边缘流速高的凹型分布；流速高时燃料组件入口处的结构件会对平行窄 缝流道的流量分配带来困难。徐建军等人 4 7 】针对窄缝流道内窄边附近的流场问 题，用可视化实验和数值计算相结合的方法进行了研究，研究结果表明，窄边附 重庆大学硕士学位论：艾 近的流体是否发生水动力学交混行为与r e 有关，层流和湍流下，流道截面中心上 的轴向主流速度都是呈梯形分布，两边低，中间高且平；层流下，窄边附近的流 体不发生水动力学的交混；湍流下，窄边附近的流体发生水动力学的交混，交混 转折点的r e 约为1 9 0 0 ，其交混能力随着r e 的增加而增强。黄军( 2 0 1 0 ) 等人【4 酬 对研究了纵向涡对窄间隙矩形通道内流动边界层的作用特性，实验结果表明，l v 可以有效地削薄和破坏流动边界层厚度；l v 对边界层的削薄和破坏可以对传热起 到强化的作用；c f d 数值模拟结果表明，剪切应力模型( s s t ) 以对l v 作用下窄 间隙矩形通道内的速度场进行有效地模拟。 在研究窄矩形通道单相流流阻特性和换热特性方面，马建( 2 0 1 1 ) 等人 4 9 针 对窄间隙矩形通道在窄间隙矩形通道和光通道内单相水介质流动阻力特性和对流 传热特性，对该类通道进行了纵向涡发生器( l v g ) 的实验研究，研究结果表明： 在雷诺数r e 为3 1 0 4 2 2 0 范围内，纵向涡( l v ) 使得通道内流动提前由层流向紊 流转化。在层流区，l v 强化传热可达1 0 0 9 ，摩擦阻力增大仅1 1 4 ；强化传热 倍增值是摩擦阻力倍增值的1 8 倍，强化传热特性始终优于摩擦阻力增大特性。在 紊流区，l v 强化传热可超过8 7 1 ，摩擦阻力增大1 0 0 3 。l v 可明显强化单相 水传热，并引起摩擦阻力一定程度的增加。 诸如此类的实验研究，在窄矩形通道的流动特性和换热特性研究方面有许多 学者做了大量卓有成效的工作，分析了临界热流密度、流动不稳定、以及窄矩形 通道形状和间距等因素对通道内流动与换热的影响，总结出了许多宝贵的经验。 1 2 3 窄矩形通道流动和换热的数值研究 由于实验受诸多条件限制，用实验来获得窄矩形通道的流动与传热特性往往 花费巨大，实验结果却不尽理想。随着科学技术的发展，数值传热学得到了飞速 的发展，在工程领域中得到了广泛应用，这主要是因为数值模拟比实验更方便快 捷且成本低廉，而且还可通过数值模拟获得实验条件下难以观察和微观尺度的数 据。因此，近些年来，应用数值模拟方法来研究窄矩形通道流动和换热问题逐渐 受到学者们重视。 在重庆大学工程热物理研究所的潘良明等人【5o 5 1 】分别对垂直矩形窄缝流道内 单相层流和湍流对流换热进行了数值模拟研究。研究结果表明：在层流流动时， 狭窄流道整个区域内出现了明显的“烟囱效应”，表现为靠近壁面的流体加速而靠 近中心的流体速度降低，“烟囱效应”使近壁区域的工质扰动加强，从而提高局部 对流换热系数，但将造成整个加热壁面换热系数分布不均匀，若壁面的热流密度 过高，容易出现临界现象；在垂直窄矩形通道双面定热流密度的湍流流动中，当 宽面全部加热时，在加热面的角部区域存在热集中现象。 在研究宽隙比对窄矩形通道流动与换热的影响：亨面，龙天渝【5 2 用尼一占双方程 1 绪论 模型研究了大宽隙比矩形窄缝通道内单相流体的混合对流换热问题，通道间隙之 比 2 5 。数值模拟结果表明，大宽隙比窄缝通道内的混合对流存在着“中部热岛” 现象，与圆管内混合对流相似，在定流量的情况下，增大热流密度会加强壁面“热 岛”现象，给定热流密度的情况下，增加流量会减弱壁面“热岛”现象。曾和义 等b3 j 针对宽高比对矩形窄缝通道内流体温度场及换热特性的影响，进行了数值模 拟，矩形窄缝通道宽高比为2 6 0 。数值研究结果表明，当宽高比较大时，热集中 现象出现在窄矩形通道加热宽面以及角部区域，角部区域的热集中强度高于中央 区域的热集中，并且随着窄矩形通道宽高比的缩小而消失。数值模拟同时发现， 对流项采用如乘方格式的低阶插值格式时，由于低阶格式严重的数值扩散，会将 加热面中央区域热集中现象抹去。因此，对于大宽高比矩形窄缝通道内流动换热 特性数值模拟，应当采用精度较高的插值格式( 如q u i c k 格式) ，以减轻数值扩 散对计算结果的影响。 在研究角部结构对窄矩形通道流动与换热的影响方面，徐建军等人 5 4 ，5 5 】分别 对矩形窄缝流道内窄边近壁区域流场和温度场以及角部结构对流场和温度场影响 进行了数值模拟研究，采用商用计算流体动力学程序c f x 软件，对矩形窄缝通道 内近壁区流场和温度场进行了分析，角部结构对流场和温度场影响的研究结果表 明，采用削薄角部金属固体，并且在发热固体总量基本相同的条件下，可以通过合 理控制角部固体发热量的方法，使得角部削薄结构下的内壁面温度分布与原型结 构下的相差不大，达到反映原型结构角部非加热区域的目的，可以反映原型结构 中的传热特性。在雷诺数相同的条件下，角部圆角型结构和直角型结构下的二次 流分布和摩擦压降基本相同，表明了完全可以采用圆角型结构来模拟原型结构。 在对带有纵向涡的窄矩形通道的数值研究方面，黄军等人【5 6 j 对窄矩形通道进 行了纵向涡强化两相换热的模拟研究，结果表明，产生的向涡能有效地降低窄间 隙矩形通道的边角处热量集中，提高中央主流区流速，进而明显提高加热板上的 热密度；l v 也能加强通道内冷热流体交混，起到强化传热的作用。相对于光滑通 道而言带l v g 的窄间隙矩形通道在适当增加流动阻力的基础上，能明显提高传热 效率。王海刚等人 5 7 采用c f x l o o 数值模拟研究了一侧安装纵向涡发生器的窄间 隙矩形通道，分析了在不同的r e 数下，纵向涡发生器的间距对三维稳态流动和传 热性能的影响，研究结果表明：纵向涡发生器安装间距越大，n u 和阻力系数厂越 小，综合换热因子，r 随安装间距的增大而增大，获得安装问距的优化结果 x = 3 0 4 5 。 在对运动状态下的窄矩形通道的数值研究方面，罗磊等人【5 副采用三维数值模 拟的方法计算了矩形冷却剂通道在随船体水平加速运动时冷却剂的温度和流场， 计算结果表明，在通道水平加速运动条件下，通道出口的最高温度仅在加速运动 9 重庆大学硕士学位论文 开始的一小段时间内受到影响，并且其变化比通道入口平均速度的变化要晚，由 通道加速运动引起的两壁壁面剪切力的变化小于由入口速度变化引起的两绝热壁 壁面剪切力的变化，而出口的平均横向速度和最小横向速度均会受加速运动的影 响。 从国内研究现状来看，表现出了两个特点：一是在针对摇摆状态的研究方面， 主要是模拟计算日本“陆奥”号自然循环特性的验证研究和非模化实验条件下的 各种基础性研究和数值研究。理论研究的一般方法：是对反应堆系统做出一定的简 化假定并分段划分控制体；将海洋条件附加外力引入到动量方程中，应用容积积 分法建立包括附加压降、摩擦压降以及流量的平衡关系式；对源于陆地重力场条 件下的热工水力模型加以改进或修正，以此获得海：洋条件下的热工水力数学物理 模型。在修正或改进传统热工水力分析程序进行计算分析方面，简化和假定条件 较多，经改进和修正的模型在反映真实的海洋条件下对流传热的内在机理方面可 靠性不高，而且仅能用于宏观特性和规律的分析，对二于二微观物理机制无法涉及。 在c f d 数值研究方面，由于采用雷诺时均n s 方程( r e y i l o l d sa v e r a g e d n a v i e r _ s t o k e se q u a t i o n s ，r a n s ) 作为动量方程，海洋条件下的热工水力基本方程 组简单地采用源于陆地重力场条件下的湍流封闭模型，尽管计算结果可能与宏观 特性较为一致，但其对于微观流动结构和传热过程模拟的准确性尚未经过验证。 二是在对窄矩形通的流动与传热特性的研究方面，主要是对不同宽高比的窄矩形 通在静态的工况下进行流动与传热特性研究，对有瞬变外力作用下的情况很少涉 及，特别是针对摇摆条件下窄矩形通道的研究目前并没有见到相关报道。尽管这 些研究结果表明窄矩形通道的流动与传热特性有别于常规圆管的流动与传热特 性，经典的常规圆管的经验公式并不能准确预测窄矩形通道的流动与传热特性， 但是在摇摆条件下，窄矩形通道的流动与传热特性在周期性外力作用下会表现出 不同于静止状态的波动特性，究竟静止状态下得出的结论能否适合于摇摆条件， 这需要针对这方面进行相关研究。 为克服现有的分析程序和湍流封闭模型在计算分析摇摆条件下流动与换热特 性方面的不足，可采用的数值研究方法有两种：直接模拟( d n s ) 和大涡模拟( l e s ) 。 然而，由于d n s 方法在对复杂的湍流运动进行数值计算时，为了分辨出流场湍流 结构精确的时空特性，必须采用非常精细的时间与空间步长，对计算机硬件要求 非常高，现有的计算条件很难达到这一要求。而l 】三s 方法将湍流运动视为由大小 尺度的涡组成，用非稳态的一s 方程对大尺度涡进行直接模拟，通过涡粘性亚格 子模型来考虑小涡对大涡的影响，而不直接计算小尺度涡，这一方法可以给出湍 流运动的具体细节，如速度脉动和交变应力等，虽然对计算机内存空间和计算速 度的要求仍然比较高，但远低于d n s 对计算资源的要求。 1 0 1 绪论 另外注意到在摇摆条件下反应堆单相水流动与换热的理论和数值研究中以宏 观特性和规律为主，缺乏微观物理机制的研究；现有针对冷却剂通道的研究多是 采用常规圆形通道，尚未有针对工程上应用的窄矩形通道进行研究的报道。 鉴于上述原因，本项目拟通过构建摇摆条件下窄矩形通道单相水流动与换热 的数学物理模型，应用l e s 方法数值研究摇摆条件下窄矩形通道单相水流动与换 热的微观物理机制和宏观规律，获得可较好预测摇摆条件下窄矩形通道内单相水 流动与换热特性的机理模型，为l e s 方法在摇摆条件下热工水力特性数值研究中 的应用积累成功的经验。 1 3 湍流模拟方法 就目前的研究成果看，湍流的数值计算方法大致分为直接数值模拟( d n s ， d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) ，r e y n 0 1 d s ( 雷诺) 时均方程方法和大涡模拟( l e s ， l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 三类。 1 3 1 直接数值模拟( d n s ) 直接数值模拟( d n s ) 是用非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行直接计算的 方法，d n s 完全模拟湍流流场中无论大尺度涡还是小尺度涡，能够准确地描述了 完整的湍流流场信息，是一种最精确的数值模拟方法。但由于d n s 方法要采用巨 大数量的网格和足够小的时间步长，特别是在对高雷诺数的湍流数值模拟中，现 在的计算机速度与容量都难以承受。因此，到目前为止，有关湍流的直接数值模 拟还只是针对相对较低雷诺数和简单几何边界的问题。 1 3 2 雷诺时均方程方法( r a n s ) 雷诺时均方程方法( r a n s ) 以将非稳态的控制方程对时间平均的雷诺时均方 程出发，引入雷诺应力的封闭模型使雷诺时均方程封闭，这样可求出平均流场。 但是脉动时空变化的细节在这种时均方法里无法体现出来，无法获取包含在脉动 运动内的全部信息。湍流运动的随机性和一s 方程的非线性使得这种采取平均的 方法无法使控制方程封闭，于是，人们常借助于经验数据、物理类比等来构造湍 流模型，来求得一组有限的封闭方程组，但是这样的湍流模型对处理许多复杂的 湍流流动并不一定很适用，有一定的局限性。 1 3 3 大涡模拟( l e s ) 根据湍流理论，可以将湍流场中不同尺度的结构分为两类：第一类是含能区 的大尺度结构，包含了绝大部分的湍动能，大尺度结构易受边界条件影响，而且 随着流动的情形而异，刻画了流动的主要特征，是流场演化过程最重要的驱动因 素；第二类是惯性子区和耗散区的小尺度结构，只包含极少的湍动能，小尺度结 构具有共同的特征，其主要作用在于能量的传输和耗散。这种思想就是用非稳态 重庆大学硕士学位论：艾 的一s r 方程对大尺度涡进行直接模拟，通过涡粘性亚格子模型来考虑小涡对大涡 的影响，而不直接计算小尺度涡，这一方法可以给出湍流运动的具体细节，这样 做的好处在于：和大尺度