環(huán)形通道內(nèi)定位格架對超臨界水傳熱的影響

許多挺，李虹波，楊 玨，趙 萌，顧漢洋

（1.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518026）

環(huán)形通道內(nèi)定位格架對超臨界水傳熱的影響

許多挺1，李虹波2，楊 玨2，趙 萌1，顧漢洋1

（1.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518026）

定位格架對棒束內(nèi)流動傳熱具有極重要的影響，目前定位格架對超臨界水傳熱的影響仍無相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。本文基于上海交通大學(xué)完成的超臨界水在環(huán)形通道內(nèi)的對流傳熱試驗，評價了傳統(tǒng)定位格架對下游傳熱系數(shù)衰減關(guān)聯(lián)式的適用性。試驗結(jié)果表明，定位格架的面積阻塞比對格架下游傳熱系數(shù)衰減規(guī)律有很大影響；在超臨界壓力與次臨界壓力條件下，定位格架下游傳熱系數(shù)衰減規(guī)律也有較大的差異。

定位格架；超臨界水；流動傳熱；衰減

堆芯燃料棒束定位格架除了對燃料棒起到支撐作用外，還能確保燃料棒之間保持合適的間隙，同時，定位格架的存在，不僅使流體流動過程中經(jīng)歷擾動，隨之流動傳熱強(qiáng)度增加，而且可有效消除傳熱惡化。所以，定位格架對流體流動傳熱的影響備受人們關(guān)注。

Yao等［1］研究了棒束中定位格架對流動傳熱的影響，指出定位格架下游Nu呈指數(shù)衰減，衰減速率與定位格架對流道的面積阻塞比有關(guān)，并首次提出Nu衰減關(guān)系式。Miller等［2］開展了單相蒸汽在棒束中的流動傳熱試驗，結(jié)果表明，定位格架下游Nu的衰減不僅受其面積阻塞比的影響，還受局部雷諾數(shù)的影響，即跟流動狀態(tài)有關(guān)，進(jìn)而提出了新的Nu衰減關(guān)系式。Moon等［3］的單相蒸汽傳熱試驗結(jié)果表明，流道內(nèi)定位格架前后均出現(xiàn)了對流傳熱強(qiáng)化的現(xiàn)象，且只有當(dāng)雷諾數(shù)低于10 000時，流動狀態(tài)才會對傳熱系數(shù)的衰減規(guī)律造成較大的影響，Yao公式和Miller公式所使用的試驗數(shù)據(jù)基于高雷諾數(shù)和低面積阻塞比的工況。Wang等［4］開展了帶有擾絲的環(huán)形通道內(nèi)超臨界水的流動傳熱試驗，結(jié)果表明，擾絲對流動傳熱的影響距離跟流動狀況有關(guān)，且擾絲可有效消除當(dāng)壁面熱流密度與質(zhì)量流速的比值較高時所發(fā)生的傳熱惡化。Bishop等［5］提出了超臨界壓力下水的對流傳熱關(guān)聯(lián)式，該公式的提出同時基于超臨界水在環(huán)形通道與圓管中的對流傳熱試驗，可應(yīng)用于充分發(fā)展時超臨界水在環(huán)形通道內(nèi)的對流傳熱。

本文進(jìn)行環(huán)形通道內(nèi)超臨界水傳熱試驗，重點研究超臨界壓力下定位格架下游Nu衰減規(guī)律，以及這種規(guī)律在超臨界壓力與次臨界壓力工況的區(qū)別，為超臨界水冷堆熱工設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 試驗

本試驗在上海交通大學(xué)超臨界水閉式回路系統(tǒng)（SWAMUP）上開展，試驗壓力分別為次臨界壓力（15.5MPa）與超臨界壓力（23.1、25.1MPa），質(zhì)量流速范圍為750～1 450kg／（m2·s），壁面熱流密度范圍為600～1 400kW／m2。環(huán)形通道內(nèi)外圓管截面分別為φ32mm× 8.4mm和φ8mm×1.5mm，構(gòu)成的環(huán)形間隙為3.6mm，通道長2 000mm。定位格架長度為8mm，分別采用兩種定位格架與布置方式，第1種布置方式：4個定位格架與入口距離分別為400、800、1 200、1 600mm；第2種布置方式：4個定位格架與入口距離分別為50、600、1 200、1 800mm。使用直流電加熱方式加熱內(nèi)管，材質(zhì)為inconel718不銹鋼，外管外包保溫棉，其內(nèi)壁視為絕熱面，使用K型滑移熱電偶測定內(nèi)管內(nèi)壁面溫度。兩種定位格架的截面形狀如圖1所示，第1種定位格架面積阻塞比為0.499，第2種定位格架面積阻塞比為0.233。

圖1 定位格架截面形狀Fig.1 Cross section of spacer grid

2 數(shù)據(jù)處理方法

利用試驗獲得內(nèi)管內(nèi)壁軸向溫度分布，使用一維徑向?qū)岱匠痰玫酵獗诿鏈囟确植?，壁面對流傳熱系?shù)h為：

局部努賽爾數(shù)Nu為：

式中：q為壁面熱流密度；tw為內(nèi)管外壁面溫度；tf為局部冷卻水溫度；Dh為環(huán)形通道水力直徑；λ為冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)。

考慮流動狀況的影響時，將定位格架下游Nu衰減關(guān)系式定義為如下形式：

式中：A、b、c為擬合系數(shù)；ε為定位格架面積阻塞比；x為定位格架下游距離。

3 試驗結(jié)果

3.1 環(huán)形通道中Nu分布趨勢

表1為超臨界壓力與次臨界壓力條件下使用不同定位格架時的3種典型的試驗工況，圖2為對應(yīng)于3種試驗工況時Nu沿流動方向的分布。

表1 試驗工況Table 1 Experiment case

圖2 沿流動方向Nu分布Fig.2 Nudistribution along flow direction

由圖2可看出，在冷卻水流經(jīng)定位格架時，流體受到擾動，對流傳熱強(qiáng)度增加，Nu急劇增大，在定位格架下游區(qū)域，隨著流動趨于穩(wěn)定，Nu逐漸減小。在超臨界壓力與次臨界壓力下，運(yùn)用Bishop公式能預(yù)測不同工況下冷卻水充分發(fā)展后的Nu。

3.2 定位格架下游流動傳熱衰減規(guī)律

在超臨界壓力下對第1種定位格架下游試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得定位格架下游Nu衰減關(guān)系式：

超臨界壓力下第1種定位格架下游Nu衰減規(guī)律示于圖3。由圖3可看出，傳統(tǒng)的定位格架下游Nu衰減關(guān)系式在定位格架下游15倍x／Dh范圍內(nèi)顯著高估了定位格架對傳熱的強(qiáng)化作用。當(dāng)x／Dh＞15時，Yao公式能較好地預(yù)測超臨界壓力下的工況。另外，由圖3還可看出，當(dāng)前的預(yù)測公式在定位格架下游6倍x／Dh范圍內(nèi)略微低估了定位格架對傳熱的強(qiáng)化作用，一方面是由于在面積阻塞比較大時，定位格架對下游傳熱強(qiáng)化的作用難以預(yù)測；另一方面是為了與下文中的公式保持一致的形式，在數(shù)據(jù)處理過程中必須采用統(tǒng)一的方法；且在試驗過程中，由于超臨界水的物性變化導(dǎo)致定位格架末端的溫度測量存在一定誤差，最終使得預(yù)測公式未能完全符合試驗值。

在超臨界壓力下對第2種定位格架下游試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得定位格架下游Nu衰減關(guān)系式：

圖3 超臨界壓力下第1種定位格架下游Nu衰減規(guī)律Fig.3 Decay rule of Nuin downstream locations of the first spacer grid at supercritical pressure

超臨界壓力下第2種定位格架下游Nu衰減規(guī)律示于圖4。由圖4可看出，雖然此時定位格架面積阻塞比降為0.233，但是傳統(tǒng)的定位格架下游Nu衰減關(guān)系式也不能準(zhǔn)確預(yù)測超臨界壓力下Nu衰減規(guī)律。同時，當(dāng)定位格架面積阻塞比從0.499下降到0.233后，衰減關(guān)系式發(fā)生了很大的變化，說明定位格架的面積阻塞比對Nu的衰減規(guī)律有很大影響。當(dāng)定位格架面積阻塞比減小時，對流體的擾動作用減弱，此時，湍流強(qiáng)度對Nu衰減速度的影響變小。

圖4 超臨界壓力下第2種定位格架下游Nu衰減規(guī)律Fig.4 Decay rule of Nuin downstream locations of the second spacer grid at supercritical pressure

在次臨界壓力下對第2種定位格架下游試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得定位格架下游Nu衰減關(guān)系式為：

次臨界壓力下第2種定位格架下游Nu衰減規(guī)律示于圖5。由圖5可看出，在次臨界壓力下，Yao公式可很好地預(yù)測定位格架下游Nu衰減規(guī)律。同時，由擬合關(guān)系式可看出，在超臨界壓力與次臨界壓力下，定位格架下游Nu衰減規(guī)律不同。首先，在超臨界壓力下，Re的增加使Nu衰減速度變慢，而在次臨界壓力下，Re的增加使Nu衰減速度變快；其次，由于在超臨界壓力下，流體的密度與動力黏度下降，導(dǎo)致流體與壁面之間、流體內(nèi)部微元體之間相互作用減弱，抑制了湍流擴(kuò)散的能力，所以，流體流經(jīng)定位格架受到擾動時，需要流過更長的距離才能實現(xiàn)流型重組，使流動傳熱恢復(fù)到定位格架之前的狀態(tài)。從另一角度可認(rèn)為，在超臨界壓力下，定位格架對流動傳熱的影響距離更長。

圖5 次臨界壓力下第2種定位格架下游Nu衰減規(guī)律Fig.5 Decay rule of Nuin downstream locations of the second spacer grid at subcritical pressure

4 結(jié)論

本文通過試驗的方法得到了環(huán)形通道中Nu沿流動方向的分布規(guī)律，總結(jié)了兩種形狀的定位格架在不同壓力下定位格架下游Nu的衰減規(guī)律，結(jié)果表明：

1）次臨界壓力下定位格架下游Nu衰減關(guān)系式并不適用于超臨界工況，同時，定位格架面積阻塞比對下游傳熱強(qiáng)化特征有顯著的影響；

2）定位格架的面積阻塞比對Nu的衰減規(guī)律有很大影響，當(dāng)定位格架的面積阻塞比下降時，Re對Nu的影響減弱；

3）相比于次臨界壓力，當(dāng)流體處于超臨界壓力下時，Re的增加使得Nu衰減更快，而且由于密度與動力黏度的下降，定位格架對流動傳熱的影響距離更長，流體需要流過相對更長的距離才能使流動實現(xiàn)充分發(fā)展。

［1］ YAO S C，HOCHREITER L E，LEECH W J.Heat-transfer augmentation in rod bundles near grid spacers［J］.Heat Transfer，1982，104：76-81.

［2］ MILLER D J，CHEUNG F B，BAJOREK S M.On the development of a grid-enhanced singlephase convective heat transfer correlation［J］.Nuclear Engineering and Design，2013，264：56-60.

［3］ MOON S K，CHO S，KIM J，et al.Enhancement of single-phase convective heat transfer in rod bundles near spacer grids［C］∥15th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-hydraulics.Pisa：［s.n.］，2013.

［4］ WANG Han，BI Qingcheng，YANG Zhengdong，et al.Experimental and numerical study on the enhanced effect of spiral spacer to heat transfer of supercritical pressure water in vertical annular channels［J］.Applied Thermal Engineering，2012，48：436-455.

［5］ BISHOP A A，SANDBERG R O，TONG L S.Forced convection heat transfer to water at near critical temperatures and supercritical pressures，WCAP-2056［R］.Pennsylvania，Pittsburgh：Westinghouse Electric Corporation，1964.

Effect of Spacer Grid on Heat Transfer to Supercritical Water in Annular Pipe

XU Duo-ting1，LI Hong-bo2，YANG Jue2，ZHAO Meng1，GU Han-yang1
（1.School of Nuclear Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen518026，China）

The spacer grid has a great impact on convective heat transfer in rod bundles.So far，there is still no experiment data corresponding to the effect of spacer grid on heat transfer to supercritical water.Based on the convective heat transfer experiment with supercritical water in annular pipe in SJTU，the traditional correlations’applicability was evaluated in this paper.The experiment results show that the attenuation law of heat transfer coefficient in the downstream locations is influenced by the block ratio of spacer grid greatly.Compared with subcritical pressure，the attenuation law of the downstream heat transfer coefficient has different forms at supercritical pressure.

spacer grid；supercritical water；convective heat transfer；decay

TK124

：A

1000-6931（2015）05-0832-04

10.7538／yzk.2015.49.05.0832

2014-01-15；

2014-03-27

許多挺（1989—），男，內(nèi)蒙古阿拉善人，碩士研究生，核能科學(xué)與工程專業(yè)