（核能科学与工程专业论文）窄环隙流道冷却传热特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文以单相水为工质，对6 个当量直径不同( 疵= 5 9 6 、4 9 0 、3 9 8 、2 9 0 、 1 8 0 、0 9 4 r a m ) 的环隙流道，在热水入口温度不同( 5 0 、6 0 、7 0 、8 0 ) 条件下的冷却传热特性进行了实验研究，对其传热机理和影响因素进行了 理论分析；同时以部分实际实验工况为基础，应用c f d 软件( f l u e n t ) 进行 了仿真计算，得出以下结论： 环隙流道内的单相强迫对流换热就流动状态而言在一定的当量直径范 围内( 1 g r a m s 5 9 6 m m ) 分为层流区、过渡区和紊流区。过渡区间随当量直 径的不同而不同，r e 数范围大致为在5 0 0 2 0 0 0 之间，随环隙宽度增大有 所提前。当量直径为0 9 4 m m 的流道只有紊流区。当量直径为1 8 蛐 5 9 6 m m 的各个环隙流道在紊流区、过渡区和部分层流区具有强化换热的 作用；但在部分层流区对换热起到抑制的作用。当量直径为o 9 4 m m 的流 道对换热起到抑制的作用。热水入口温度不同对环隙流道换热的影响在盖e 3 0 0 0 时较为明显，变化趋势为在相同皿数下，随热水入口 温度增大，换热能力降低。环隙当量直径对换热影响在r e 1 0 0 0 较为明显， 变化趋势为：在相同尺p 数下，随环隙宽度的减小n u 数也减小。热流方向 的不同对换热存在一定的影响。仿真计算值与实验值符合较好，误差不大： 芯管内径变化对窄环隙流道换热有一定影响；当量直径d e = 7 m m 时窄环隙 流道紊流区已不具有强化换热的作用，而层流区和过渡区的强化换热作用 仍很显著。 关键词：窄环隙流道；当量直径；热流方向；仿真计算 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n ti n l e tt e m p e r a t u r e ( 5 0 c ，6 0 c 、7 0 1 2 、 8 0 c ) a n dd i f f e r e n te q u i v a l e n td i a m e t e r ( 5 9 6 、4 9 0 、3 9 8 、2 9 0 、1 8 0 、o 9 4 m m ) ，u s i n gw a t e ra sw o r k i n gm e d i a , t h ee x p e r i m e n t so f c o o l i n gh e a tt r a n s f e r i na n n u l a re h a n n e li ss t u d i e d a n dt h em e c h a n i s mo f h e a tt r a n s f e ra n di n f l u e n c e f a c t o ra r ea l s oa n a l y z e d ；b e s i d e s b a s e d0 1 3s o l l t l ee x p e r i m e n t a ld a t a , s i m u l a t i n g c a l c u l a t i o ni sc a r r i e do u tb yu s i n gc f ds o f t w a r e 1 1 1 er e s u l t sa l e 鹊f o l l o w s ： a sf a ra st h ef l o ws t a t ei sc o n c e r n e d t h es i n g l e p h a s ef o r c e de o n v e c t i o n i na r m u a rc h a n n e lc a l 3 b ed i v i d e di n t ol a m i n a rf l o wr e g i o n , t r a n s i t i o nr e g i o n , a n dt u r b u l e n tf l o wr e g i o ni nt h er a n g eo fe q u i v a l e n td i a m e t e rn 8 蛐 5 9 6 r a m ) t h ei r a r t s i t i o nr e g i 0 1 1v a r i e sw i t ht h ee q u i v a l e n td i a m e t e rc h a n g i n g , w h e nr en u m b e ri sa b o u t5 0 0 - 2 0 0 0 t h et r a n s i t i o nr e g i o na d v a n c , e $ w i t ht h e i n c r e a s eo fa n n u l a rw i d t h ；w h e nt h ee q u i v a l e n td i a m e t e ri so 9 4 m m , o n l y t u r b u l e n tf l o wr e g i o ne x i s t si nt h ec h a n n e l w h e nt h ee q u i v a l e n td i a m e t e ri s 1 8 5 9 6 m m , n o to n l yt u r b u l e n tf l o wr e g i o n ，t r a n s i t i o nr e g i o nb u ta l s ol a m i n a r f l o wr e g i o ni na n n u l a re h a r m e lh a v et h er o l eo f e n h a a e i n gh e a tt r a n s f e r b u tt h e h e a tt r a r t s f c rw o u l db er e s t r a i a e di nt h ee h a t m e lw i t ho 9 4 m me q u i v a l e n t d i a m e t e r b e s i d e s t h ei n f l u e n c eo fi n l c th o tw a t e rt e m p e r a t u r eo nh e a tt r a n s f e ro f a n n u l a re h a n n e l i so b v i o u sw h e nr e 3 0 0 0 a n du n d e rt h es a m e r en u m b e r , t h el l e a tt r a n s f e ra b i l i t yd e c r e a s e sw i t ht h ei r i c r c a s eo fi n l e th o t w a t e rt e m p e r a t u r e n 坨e f f e c to fe q u i v a l e n td i a m e t e ro fa n n u l a rc h a n n e lo n h e a tt r a n s f e ri sc l e a ra tr e 1 时，起始沸腾生成变形汽泡并沿流道迅速扩展，因此沸腾几乎 是在全部加热面上同时产生。在稳定核态沸腾阶段，大容积液体具有一定 的过冷度时，换热得到提高，而在饱和沸腾时，由于浮力的作用，在流道 顶部一般总有汽相聚集，在这里，换热以薄膜蒸发为主。因此，随着流道 间隙的减小或长度的增加，换热得到明显的改善，临界热负荷则降低。但 是当b o o 3 时，加热面会较早进入局部干湿交替区，从而导致传热恶化。 在强迫流动沸腾换热方面，高刚等【1 3 】以开发高效直流蒸发元件为目 的，在长度为1 7 m ，间隙尺寸为2 m m 或和2 7 m m 的竖直环隙流道内，以 r 1 1 3 为工质进行了常压下的双面加热流动沸腾换热实验。结果在实验范围 内，换热系数最大时是圆管内流动沸腾换热的1 7 5 倍。同时，流道内也存 在强烈的流动不稳定性。刘瑞兰等【1 4 】以去离子水为工质，在压力为1 5 5 3 7 2 m p a ，质量流速为9 5 3 1 9 6 5 k g h ，环缝间隙为l m m 的条件下，对环 形通道进行直接加电的方式加热，进行强迫流动沸腾换热的实验研究，并 用t e n s l o t t 公式和c h e r t 公式对实验数据进行整理，结果表明环形窄缝间 隙内的流动沸腾换热很可能是核态沸腾和两相强制对流共同起作用的结 果。 在自然对流沸腾方面，孙中宁等【”】以水为工质，分别在过冷和饱和条 件下对竖直窄环隙流道( 环隙宽度分别为2 4 9 、1 7 4 、1 3 3 、1 2 1 、1 0 3 和0 7 2 m m 流道总长6 8 5 m m ，加热段长5 6 0 m m ) 进行了自然对流沸腾流动不 稳定性实验，观测到了窄隙流道饱和沸腾时所特有的蒸干型流动不稳定性， 实验结果表明，窄环隙流道内的低干度过冷沸腾流动不稳定性主要是由于 间歇生成长聚合汽泡引起的，而长聚合汽泡的形成一般都是在低负荷、低 过冷度区或高负荷、高过冷度区出现当流道内形成长聚合汽泡时，汽化 核心常常暂时消失，加热面过热区内呈现正温度梯度或近似等温分布。从 全部实验流道的流动区间划分可以看到，随着流道长度( 力与当量直径( 以) 之比( ，磊) 的增加，流动稳定区域迅速减小，乃至消失。而且由于消除了 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 过冷度的影响，加热负荷和流道几何尺寸( f 以) 对流动特性的影响显得清 楚而有规律性。窄环隙流道饱和沸腾时的两相流动可划为稳定区、过渡区、 密度波不稳定区和蒸干型不稳定区，其中蒸干型流动不稳定性属于窄隙流 道饱和沸腾时所特有。夏春林【l6 】在常压下，对r 1 1 3 工质在间隙宽度为0 8 、 1 5 、3 0 、5 0 m m 矩形流道中的由上而下的自然对流进行实验测定和可视 化研究。结果发现加热表面的过热度随加热功率的升高而升高，并沿高度 方向有最大值。在相同的壁面过热度下，不同的流道间距所传递的热流是 不一样的。重庆大学的潘良明掣 】实验研究了模拟介质在竖直矩形窄隙流 道内的过冷流动沸腾换热，结果表明，在实验参数范围内，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。 在低温沸腾换热方面，郭庭玮掣】以液氮为介质，在竖直矩形冷却通 道内进行了饱和沸腾实验，流道长度为1 5 0 r a m 和2 2 0 m m ，狭缝宽度为o 4 、 0 5 、0 8 3 、1 o 和1 5 m m 。结果表明增加流道的长度和减小流道间隙的尺 寸可使核态沸腾换热得到显著强化。吴裕远等人【l9 】在类似的实验中也测到 流道的长度对沸腾换热有显著影响，只是当热流密度较高时增加流道的长 度对换热才有利。 。 对于窄隙流道内的沸腾换热机理，目前普遍认为以薄液膜蒸发为主要 换热机理。早在1 9 6 6 年，k a t t o 等【9 】在对下面加热的水平平板间隙进行沸 腾饱和实验时，观察到受迫汽泡下液膜的存在是换热得以强化的原因。在 1 9 6 9 年，i s h i b a s h i 和n i s h i k a w a 3 】在竖直环隙流道饱和沸腾实验中进行了细 致的观察和壁温测量。结果发现，当流道间隙8 7 r a m 时，由于引入汽泡所带来的强化换热作用不再增加。 1 2 2 窄隙流道强迫对流换热研究现状 对于窄通道内的单相强迫对流传热研究者们普遍认同其流动及传热特 性不同于普通流道。国内外很多学者作了相关的工作，从己发表的文献看， 目前的研究以实验为主。 t u c k m a n 和p e a s e 2 2 】最开始进行微通道内流动和换热特性的研究。以 水为工质流过直接刻在安装电路板上的微槽道，槽道宽度为5 0 t t m 高度为 3 0 0 t i n ，水工质以层流( r e 1 0 0 0 ) 的方式流过槽道。实验发现该通道可以 带走高达1 0 4 k w m 2 的热流，非常有效地对电路板进行冷却。当表面温度 维持在1 3 0 c 以下时散热可以达到1 0 4 k w m 2 的数量级，这充分证实了微槽 技术的潜力。实验结果同时表明减小微槽道的当量直径是增强工质的换热 能力的主要途径；微槽道的层流换热效果比常规流道的紊流换热还要强。 为了澄清某些研究中的问题p e n g 等【2 3 2 4 1 研究了单个微槽和多维槽结构中 有、无相变时的流动和传热特性。研究中主要涉及微槽道中单相传热和流 动形态的转换，以及温度升高引发流体热物性变化有关的转换过程。微槽 内液体首破的实验表明：充分发展紊流的r e 数在1 0 0 01 5 0 0 范围内，而 层流向紊流转变的过渡区起始船数在3 0 0 8 0 0 范围内，层流和过渡段非 常复杂。 文献 2 5 】也在单相强迫对流情况下，对当量直径为o 1 3 3 0 3 6 7 m m 的 微矩形槽道内进行了换热和流动特性的实验研究。研究发现，层流换热受 槽道高宽比、当量直径与槽间距的比值影响，而紊流换热则与水力直径， 槽间距和无量纲参数z 有关。z 的定义式为： z = r a i n ( h , w ) m a x ( h , 叨( 卜2 ) 式中：日槽道的高度，m ； 矽槽道的宽度，m 。 对紊流换热而言，z = o 5 是最佳参数，实验表明，z 对流动阻力亦有很 大影响：层流情况下当z = o 5 时流动阻力达到最小值；紊流流动阻力比按 哈尔滨工程大学硕士学位论文 常规理论预测值小，流动向充分发展紊流过渡的临界胎数比常规值小。文 献中给出了换热经验公式，其中水在1 2 种不同的微槽道结构内流动时层流 对流换热可以描述为： n u = 0 1 1 6 5 ( d h 形) ”1 ( h w ) 4 7 9r e ”2p r l 7 3 ( 1 - 3 ) 式中：4 当量直径，m ； 形槽间距，m 。 紊流对流换热可以描述为： n u = 0 0 7 2 ( d , 形) 1 。1 5 【1 2 4 2 1 ( z o 5 ) 2 r e ”p r ”( 卜4 ) z h a n g 等1 2 6 】对水在微槽内流动时的单相对流换热进行了实验研究。研 究发现当微槽的当量直径超过o 8 m m 时，微槽内的单相对流换热特性和普 通流道之间并无明显的区别。西安交通大学的刘瑞兰等【2 7 】进行了水在宽度 为l m m 的环形缝隙内强迫流动时的单相对流换热实验。加热方式采用双 面加热，系统压力为1 2 3 6 m p a ，r e 数范围在4 6 3 8 1 5 3 8 5 之间。尽管 r e 2 3 0 0 ，但由于流态提前过渡到紊流区，因此在此范围内窄环隙对单相 对流换热确实有强化换热作用。但按d i t t u s - - b o e l t e r 公式计算得到的n u 数来看，又低于实验值，说明窄隙内的传热机理不同于普通流道。 以上的几位研究者所研究的m 数区间范围相对较小，孙立成等【2 8 】对 有效换热长度为1 3 5 0 m m 、环隙的宽度分别o 9 r a m 和2 4 m m 的两个流道进 行了实验研究，实验对窄环隙流道分别采用单侧和双侧的加热方式，实验 的r p 数范围最大达到7 0 0 0 。实验表明：( 1 ) 环隙的宽度是影响单相水的对 流换热特性的一个重要因素。在一定的环隙宽度范围内，水在环隙流动更 容易发生脉动，因而可以强化水的单相对流换热。但是两种环隙的比较而 言，减小环隙宽度并不能进一步强化换热，反而削弱了环隙的强化换热作 用。( 2 ) 在双侧加热时，环隙内侧的换热特性要好于外侧。双侧加热时的换 热特性要好于单侧加热的情况。( 3 ) 2 4 m m 的环隙在整个实验范围内的换热 特性都要好于普通流道，而0 9 m m 的环隙在层流区和过渡区要好于普通流 道，在充分紊流区却低于普通流道。( 4 ) 用d i t t u s - - b o e l t e r 公式计算窄环隙 内的换热系数将产生较大的误差，必须进行修正。孙中宁等【2 9 1 在常压下以 水为工质，对三种环隙宽度分别为0 9 ，1 4 和2 4 m m 的竖直窄环隙流道进 行了单相强迫对流换热实验研究。结果表明，( 1 ) 换热温差造成的流体动力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 粘度变化对换热具有削弱和加强的双重作用。( 2 ) 窄隙流道内的强迫对流换 热在低皿数区具有与普通流道不同的多变特性，换热性能随流道间隙的 减小而下降。而在高r e 数区时，流道尺度的影响减弱，换热性能与普通 流道相近。( 3 ) 窄隙流道使紊流换热区域扩大，也常常使换热性能下降。当 流道间隙小于1 o m m 时，换热没有明显的过渡区和层流区，可以统一按 紊流换热规律计算，这点结论与文献【2 8 】有相似之处。 在工程应用上西安交通大学的李斌等【3 0 】以研究新式紧凑型换热器为 目的对垂直窄缝( 窄缝尺寸规格分l 、1 5 和2 5 m r n ) 环形管内氟一1 1 3 单相 强迫对流换热进行了研究，环隙的加热方式采用热水逆流双面加热。实验 表明：( 1 ) 当6 0 0 r e 3 0 0 0 时，与普通管内层流区换热公式计算值相比， 窄缝环形管有强化传热作用。( 2 ) 在实验范围( r e 3 0 0 0 ) ，所有的实验都 小于按普通管内紊流公式d i t t u s b o c l t c r 公式的计算值。( 3 ) 窄缝环形管内 管外壁面换热系数大于外管内壁面的换热系数，这种差别随着窄缝宽度变 小趋于明显，当缝隙宽度为l m m 时，达到最大为2 5 3 1 倍。李兆俊等【3 l 】 以开发直流蒸汽发生器换热元件为目的对一宽度为l m m 的竖直环形通道 进行了强迫对流实验研究，实验的r p 数为2 0 0 2 0 0 0 ，实验表明窄环隙流 道与常规流道相比具有显著的强化换热作用。作者对窄环隙流道强化换热 的机理给出了一个解释：尽管r e 2 0 0 0 由于窄通道的特殊在这已经处于 紊流区或层流与紊流之间的过渡区，工质的流动是紊乱的不规则流动又因 环隙宽度很窄( 仅l m m ) ，q - 质的紊乱流动更易导致传热的强化，上述两者 共同作用的结果，使得其对流换热系数显著提高。在窄环隙流道中，流体 与固体壁面边界相接触，通过窄环隙流道壁面的热密度直接影响到流体的 粘度和表面张力梯度的大小，而流体的粘度和表面张力梯度无疑对窄环隙 流道中的阻力与换热特性有着很大的影响朱恂等【3 2 】以为小槽道散热器开 发为背景用o 4 m m x 2 o m x 2 0 m m 的微小矩形槽道蔟为实验段，对水和浓度 为6 6 乙二醇水溶液在底部加热的微小槽道散热器中的流动与换热特性 进行了实验研究，实验的且p 数范围为2 2 5 0 0 。实验结果表明：水和乙二 醇水溶液工质在微槽散热器中的流动阻力系数随r p 数的增大而减小；对 流换热的n u 数均随着r e 数的增大而增加；在相同r e 数下，抑数大的乙 二醇水溶液工质的n u 数大于水的n u 数。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在数据处理上，陆广遥【3 3 】对一环隙宽度为3 0 8 r a m 的流道进行了竖直 和水平的单相强迫对流换热实验，数据处理分别采用测壁温法和分离系数 法分析了窄环隙内加热流体和冷却流体强迫对流换热特性，他的得出的结 论是：在紊流区，加热流体和冷却流体在窄环隙内对流换热都能达到强化 换热效果；而当r e 1 0 0 0 0 后为旺盛紊流区，而一般认为2 3 0 0 r p 1 0 0 0 0 的范围是过渡区。管槽内的层流充分发展对流换热的理论分 析工作做得比较充分，已经有许多成果可供选用【4 、而对于环形空间内层 流充分发展对流换热情形，文献 4 2 1 q ，是这样表述的：层流条件下热边界 条件的影响不能忽略；层流充分发展时的胁数与且p 数无关，这与湍流时 有很大的不同。该文献中附带的计算表格如表4 - 1 所示。 实际工程换热设备中，常用齐德一泰特公式来计算长为珀0 管道的平均 数： n u = 1 8 6 ( 铡l d ”时 ， l 仉，j 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：叩，按流体平均温度计算的动力粘度，k g m s ； 仉按壁面温度计算的运动粘度，k g m s - l 有效换热长度，m ； d 管子内径，1 1 1 。 此公式的实验验证范围为： 哪a s o ，7 _ _ lo o 叭一，( r e ip r i l d ，”谢“泷 。 ljl 叩。j 要求管子壁温均匀。 表4 1 环形空间内层流充分发展对流换热的n u 数 ( 一侧壁温绝热，另一侧壁面等壁温) 内外径之比d 牖内壁n u 外壁n u 。 o，3 6 6 o 0 51 7 4 6 4 0 6 0 1 0 1 1 5 64 1 1 0 2 57 3 74 2 3 o 5 05 7 44 4 3 1 0 04 8 64 8 6 对于窄环隙空间内强迫对流换热情况，目前参考文献中尚无通用计算 公式。本文在r e 2 3 0 0 时预计实验结果采用根据环隙流道实际的内外径尺 寸，通过表4 - 1 插值法算得的n u 数，和采用根据公式( 4 一1 ) 的计算得到的 n u 数。用公式( 4 一1 ) 时特征尺度选用窄环隙通道的当量直径。实验中的6 个窄环隙流道在r e 2 3 0 0 时n u 数的插值计算如表4 2 所示。 在紊流区计算公式选取上，人们多采用应用最为广泛的d i t t u s b o e l t e r 公式： m o = 0 0 2 3 r e ；s - p 哆 ( 4 2 ) 加热流体时，以= 0 4 ；冷却流体时，弗= 0 3 。文献 3 3 】在进行环隙流 道预计值计算时也是采用该公式。但是该公式有两个适用条件对本实验来 说不完全合适：( 1 ) 、r e f = 1 0 4 1 2 1 0 5 ；( 2 ) 、适用于流体与壁面具有中等 以下温度差的场合：对于气体不超过5 0 ，对于油类不超过1 0 c ：对于水 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不超过2 0 3 0 c 。本实验胄p 数范围在4 0 4 x 1 0 4 之间，很多实验点r p 数 值未包括在上述公式要求范围之内；另外，某些工况点的流体与换热壁面 之间温差也超过了d i t t u s - b o e r e r 公式要求温差。 本文在计算紊流区 恤数预计值时，选取条件更为符合的格尼林斯基 ( g n i e l i n s k i ) 公式： m o 呲( 酵”蝴。) 嘴4 + ( 3 ( 每厂 ， 式中：p r ，按流体平均温度计算的普朗特数； 矾按平均壁温计算的普朗特数； r e ，流体的雷诺数。 实验验证范围： 1 5 n ， 5 0 0 ，o 0 5 p r ： 2 0 ，2 3 0 0 r e ： 1 0 6 。 1 p r 经计算验证，公式( 4 3 ) 要求的条件在本文实验内基本符合。 表4 - 2 窄环隙流道内层流充分发展对流换热的n u 数 ( 一侧壁温绝热，另一侧壁面等壁温) 管号 内外径之比d d o 窄环隙内壁n u 。窄环隙外壁m b l1 5 9 4 ，2 1 9 = 0 7 33 0 7 33 7 8 0 21 5 9 4 2 0 8 4 = 0 7 63 2 7 l3 9 0 0 31 5 9 4 1 9 9 1 = 0 8 03 5 3 64 0 6 0 41 5 9 4 18 8 5 = 0 8 53 8 6 74 2 6 0 51 5 9 4 1 7 7 4 = 0 9 0 4 1 9 84 4 6 0 61 5 9 4 1 6 8 7 = 0 9 44 4 6 34 6 2 0 4 3 窄环隙流道冷却传热特眭总体分析 窄环隙流道强迫对流换热的传热及流动特性与常规流道是不同的，这 在国内外的研究者中已经达成共识，究竟有何不同之处不同的研究者所得 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的结论是不同的。研究者们有的说窄环隙流道具有强化换热的作用，有的 恰恰相反说窄环隙流道对换热有减弱的作用。 图4 1 和图4 2 是六个环隙流道内通以热水被冷却时的换热特性曲线， 其中，两组实验的热水回路入口水温分别保持在5 0 和7 0 * ( 2 左右，冷水回 路( 芯管侧) 入口水温保持在2 0 c 左右、其流速保持在6 3 4 m s 。从这两张图 可以看出：当雷诺数r e = 2 0 0 0 时，各个流道都已经达到充分紊流，层流区 间随环隙的不同而各不相同，总体说来随当量直径的增大层流和紊流的分 界点逐渐提前，也就是层流和紊流的过渡区间逐渐增大。当量直径为 o 9 4 r a m 的流道没有层流和紊流之分，一致表现为紊流特性。就换热特性 而言，随着当量直径的增加换热逐渐增强，