倾斜窄通道中单相流体的传热特性研究

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窄矩形通道由于具有结构紧凑、换热面积大及设计应用灵活等独特的热工水力特性,近年来在反应堆堆芯设计、微电子系统等领域应用日益增多。由于其通道截面的特殊性,传统的圆管流动传热经验关系式已不适用,目前的研究多集中于微小通道,对矩形截面通道内的换热特性的研究也只是基于通道处于竖直或水平加热状态下进行的,而对通道处于不同倾斜角状态下传热特性的研究则较少,因此研究倾斜角度对窄矩形通道内流体的传热特性的影响是很有必要的。论文对垂直与倾斜状态下加热窄矩形通道内单相流体的传热特性进行了实验研究和数值模拟佐证实验。实验在可以调整倾斜角度的试验台上完成,实验回路内的工质为去离子水,实验段为竖直的不锈钢窄矩形通道,分别对试验段垂直状态的传热特性和试验段不同倾斜角度时的传热特性进行了实验研究,并将两者的实验现象进行了对比分析。研究表明,倾斜角度对窄矩形通道单相流体的传热特性影响较小。层流区入口段由于热边界层较薄,传热系数高于充分发展段,但是,由于流体受浮升力作用,引起同向混合对流,使流动发生层流化,削弱了传热能力,导致对流换热系数减小。在层流区充分发展段,Nu数趋向定值,实验值与Hartnett公式预测值误差在13.5%-16.8%之间;过渡区和湍流区,Re数成为影响Nu数的主要因素,层流崩溃点过后,流动真正进入充分发展紊流区,对流换热系数急剧增长,实验值与Dittus-Boelter公式计算值之间的误差在25%以内。倾斜窄矩形通道传热特性研究,为倾斜状态窄矩形通道传热计算提供了依据,层流区换热计算可以采用Hartnett公式,湍流区换热计算可以采用Dittus-Boelter公式。对不同长宽比通道条件下的传热特性进行数值模拟,在模拟结果中引入二次流分析。发现通道形状及尺寸以及流体在通道内的流态都会影响二次流流动,在截面长宽比很大的时候,不存在二次流现象,伴随着横截面长宽比不断缩小,逐渐出现对称的二次流漩涡,出现二次流现象,但截面长宽比继续降低后,流动又趋于稳定,二次流现象消失。层流状态更易产生二次流现象。
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