液态铅铋合金—氦气流动换热特性数值研究

【摘要】核能是解决当前能源危机的主要途径之一,但同时也面临核废料处置的难题,未经处理的核废料将对人类社会和生态环境构成潜在的安全威胁,而采用分离嬗变技术的加速器驱动次临界系统(ADS)可有效解决这一问题。为此,中国科学院于2011年启动了“未来先进核裂变能-ADS嬗变系统”先导专项,对ADS系统的关键技术和相关基础科学问题进行研究。液态铅铋合金以其优良的中子学性能、抗辐照性能、导热性能和固有的安全特性,成为ADS系统首选的一回路冷却介质(即堆芯冷却剂)。氦气具有良好的导热性能和化学反应惰性,而且氦气透平发电技术较为成熟,因此对液态铅铋合金与氦气之间的流动换热特性开展前瞻性研究,对于ADS系统二回路的设计具有重要科学意义与实用价值。基于上述背景,本文对液态铅铋合金的湍流普朗特数模型以及液态铅铋合金与氦气在管壳式换热器中的流动换热特性开展了研究。论文首先以湍流普朗特数模型为切入点,针对恒热流和恒壁温两种典型热边界条件,利用数值模拟方法对液态铅铋合金在圆管内的流动换热进行了研究,考察了不同热边界条件下液态铅铋合金湍流普朗特数模型的适用性。研究结果表明：由于分子普朗特数较低,适用于常规流体的雷诺比拟对液态铅铋合金不再适用,无论是恒热流还是恒壁温边界条件,雷诺比拟总是过高预测Nu数。与常规流体不同,液态铅铋合金的湍流普朗特数受热边界条件影响较大,恒热流和恒壁温边界条件下的湍流普朗特数存在较大差别。针对两种不同的热边界条件,论文给出了各自适用的湍流普朗特数模型。在上述研究的基础上,并综合考虑工质变物性的影响,论文对液态铅铋合金与氦气在管壳式换热器内的流固耦合传热进行了三维数值模拟研究,液态铅铋合金管侧压降、换热器传热系数和有效度等数值结果与理论计算吻合良好,验证了数值模拟的准确性。在此基础上,进一步对液态铅铋合金和氦气在换热器内的流动换热特性进行了研究,分析了工质质量流量对换热器换热性能和壳侧氦气出口温度的影响。研究结果表明：增加工质质量流量,能够提高换热器传热系数和换热量。但是,仅增加管侧液态铅铋合金质量流量,并不能显著提高传热系数和换热量,只有同时增加壳侧氦气质量流量,传热系数和换热量才会明显提升。由此表明,壳侧氦气的流动状态是决定液态铅铋合金-氦气换热器换热性能的主要因素。基于数值模拟结果,论文引入“换热器修正有效度”的概念,拟合得到了换热器修正有效度与工质热容量比之间的幂函数关系式。通过该关系式,可在换热器入口条件已知的情况下得到换热器修正有效度,实现换热器壳侧氦气出口温度的快速预测。换热器修正有效度随热容量比的增加而减小,在管侧液态铅铋合金质量流量不变的条件下,降低壳侧氦气质量流量,则氦气出口温度升高；反之,增加壳侧氦气质量流量,则氦气出口温度降低。因此,在对液态铅铋合金-氦气管壳式换热器进行优化设计时,需要综合考虑壳侧氦气质量流量对换热器换热性能和氦气出口温度的双重影响。基于上述研究成果,论文最后给出了液态铅铋合金-氦气流动换热实验平台的设计方案。
【作者】陈飞；
【导师】淮秀兰；蔡军；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），工程热物理，2014，博士
【关键词】液态铅铋合金；氦气；流动换热；换热器；数值模拟；ADS；

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