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中国工程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号:093441
环形狭窄通道中液态水对流换热的
数值模拟及模型修正
1 1 1 1 2
刘元清 姜培学 罗庶 张有为 石黑达男
(1. 热科学与动力工程教育部重点实验室,清华大学热能工程系,北京,100084;
2 .三菱重工业株式会社高砂研究所,高砂676,日本)
(TEL :010, E-mail :Jiangpx@tsinghua.edu.cn)
摘要:本文采用粗网格、稳态时均RANS 模型对环形狭窄通道中液态水绕流的流动与换热特性进行了
数值模拟。并分析了间隙尺度以及液态水进口流量对环形通道内壁面局部对流换热系数的影响,并与
实验值进行了比较。结果表明,稳态时均RANS 模型难以准确预测实验中实验段背面的流动特性,从
而低估了此处的湍流强度、高估了此处壁温,造成数值结果与实验结果的较大偏差。分析相关流动参
数可知,数值计算中湍流度在实验段背面的明显降低导致了相应位置处对流换热系数计算值的偏低。
考虑局部湍流度的影响,构建了修正模型对计算所得Nu 进行修正后,六种工况下约 90%的实验测量
值与计算值的偏差小于30% 。
关键词:环形狭窄通道、对流换热、湍流度、数值计算
一、前 言
环形狭窄通道内流体流动与换热特性的实验研究和数值模拟一直是核工业冷却中
研究的热点问题[1-3] 。以往的研究中流体进口方向与环形通道轴向相同,其模型可简化
为二维轴对称问题;在本文的计算模型中,流体入口方向与通道轴向垂直,必须构建三
维模型,增加了问题的复杂性。
根据三菱重工已有研究表明,由于流体入口方向与通道轴向垂直,环形通道内壁面
的温度分布在高度方向和周向上均存在明显的非均匀性。在下腔体的背面区域,实验的
可视化结果显示出流动的随机性和非时均性,相应的对流换热系数在此区间分布较为均
匀;而采用稳态时均RANS 模型计算所得到的下腔体背部流场分布则出现了关于中心滞
止线对称的对涡结构。该对涡结构的存在使得下腔体背面尤其是底部区域的流动速度明
显降低,形成流动“死区” ,相应区域的对流换热系数较之周向上的其他区域骤降,与实
验观察得到的流场有着很大的区别。究其根本原因:一方面由于加工制造工艺的精度有
限,不能保证实验段通道间隙在周向上保持绝对均匀。其与计算模型在几何结构上的偏
差造成了实验研究中下腔体背面流动形态的非对称性及非时均性;另一方面由于水的进
口流量较大,在下腔体入口处对通道内壁面冲击作用显著,因此实验条件下进口处的微
小扰动即可造成流动的非对称性,从而导致背面区域流动掺混强烈,壁温分布较之数值
预测值更为均匀。
本文的研究目的是在实验研究的基础上,通过改进数值模拟方法,实现采用粗网格、
稳态时均 RANS 模型对环形狭窄通道中液态水绕流的流动与换热特性比较准确的数值
模拟,为整个研发流程中的概念设计环节提供可靠的研究信息,且不至于耗费过多计算
资源。
二、数学物理模型及计算方法
[4]
计算物理模型完全参照实验研究中 实验段的几何尺寸构建而成。由于流体进口方
向与通道轴向垂直,因此在构建计算模型时,不能简化为二维轴对称问题。这与已有的
模拟环形窄隙中流体流动和传热的研究有着较大区别[5-6] 。如图1 (a) 所示,模型可分为
三个组成部分:进口直管段、上腔体(包含4 根细管)和下腔体。水经由直管段进入下
腔体,沿环形通道内壁面绕周向流动的同时沿轴向向上流动,通过4 根细管流入上腔体
后由出口流出,重要边界条件也在图中给出。以下腔体底面中心为原点建立坐标系,各
坐标轴方向如图1 所示。进口直管段直径D=50mm ,为保证水进入下腔体时达到充分发
展阶段,直管段长度设计为L=25D ,中心线高度Y=30mm 。下腔体高度H=200mm ,间
隙
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