在浮力与流动加速耦合作用下，氦-氙混合气体中热分层机制的数值分析

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Numerical analysis of the thermal stratification mechanism in a helium-xenon gas mixture under the coupling of buoyancy and flow acceleration

　　

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  对水平三棒束中的氦—氙流动与传热进行了模拟。
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  浮力与流动加速共同驱动温度分层。
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  利用无量纲参数确定了温度分层判据。
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  湍流与无量纲判据区分了三种流动流态。
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  在不同流动流态下评估了现有传热关联式的适用性。

引言

以氦—氙（He-Xe）气体混合物作为冷却剂的超高温气冷堆，是多个领域中小型核动力系统的首选方案[1]、[2]。由于其体积小、结构紧凑、热流密度高、流速高，对热安全性提出了极为苛刻的要求。摩尔质量为14.5～40.0 g/mol的He-Xe气体混合物通常被视为布雷顿循环的工作流体[3]、[4]、[5]。综合考虑热力学性质与能量转换，现有研究普遍认为摩尔质量为40 g/mol、氦质量分数为7.3%的He-Xe气体混合物是最优混合比例[6]。由于He-Xe气体混合物密度低、流速高、普朗特数低，加之复杂布棒配置的共同影响，正常运行及反应堆启停过程中堆内流动与传热行为十分复杂，堆芯内可能发生温度分层。这种不均匀的流体温度分布不仅会引发严重的局部热应力，威胁压力容器及内部构件的结构完整性，还可能导致流场失稳。因此，有必要研究水平布置气冷堆中He-Xe气体混合物的流动与传热特性及其温度分层现象。

以往的研究已阐明了低普朗特数、入口发展段以及物性温度依赖特性对He-Xe流动与传热的影响。目前，许多学者对He-Xe气体混合物的流动与传热特性开展了实验和数值模拟研究。Taylor等[7]、[8]对普朗特数介于0.18至0.7之间的不同二元气体混合物在圆管内的流动与传热特性进行了实验研究，结果表明经典的Colburn和Dittus-Boelter关联式显著高估了气体混合物的传热系数。Vitovsky[9]实验研究了He-Xe气体混合物在短圆管内的流动与传热，指出了入口效应的重要性。Nakoryakov[10]进一步将圆管内He-Xe气体混合物的传热划分为入口段和充分发展段，并提出了一种考虑入口效应的计算方法。Vitovsky[11]研究了高雷诺数下He-Xe气体混合物在小直径圆管（D=5.5 mm）高热流密度条件下的流动与传热，并与相同热条件下空气的情况进行了比较。结果表明，受热加热后，He-Xe气体混合物表现出比空气更为显著的流动加速，这对传热特性影响显著。俄罗斯科学院较早的实验研究[12]、[13]表明，三角形通道中He-Xe气体混合物的流动与传热比圆管更为复杂，在拐角处流动阻力更高，入口段更长，在高热流密度和较大温度梯度下气体膨胀与加速效应更强。测量结果还显示通道出口附近气体混合物温度与壁面温度均呈下降趋势。Makarov[12]讨论了三角形通道入口段的层流—湍流转捩，以及出口附近高速湍流对壁面传热的影响，并建议必须考虑高速He-Xe气体混合物的可压缩性，以更准确地预测其流动与传热特性。Zhou等[14]利用Dittus-Boelter关联式计算了不同普朗特数下的He-Xe努塞尔数，发现其预测的壁温低于实际值。Qin[15]、[16]对圆管内He-Xe气体混合物的流动与传热特性进行了实验研究，并基于实验数据建立了传热关联式。此外还对三叶形通道内He-Xe气体混合物的流动与传热进行了数值研究[17]。结果表明，在三叶形通道中，由于局部流道受限，拐角处气体温度显著高于中心处。Wang等[18]实验发现，在高热流密度下，He-Xe气体混合物中显著的热加速效应增强了对流传热，并建立了经验努塞尔关联式。这些发现表明，由物性变化驱动的流动加速是导致He-Xe流动与传热偏离经典理论的主导因素。综合来看，这些研究表明物性诱导的加速是决定氦—氙传热的核心因素。然而，其中大多数研究考虑的是圆形、三角形或三叶形通道，并未解决在水平棒束中加热引起的加速如何与横向浮力相互竞争的问题。

对于棒束，现有研究主要涉及几何效应、流动转捩与共轭传热。针对棒束中的He-Xe传热，Zhang等[19]数值分析了He-Xe气体混合物的流动与传热，考察了几何与运行参数的影响。其结果表明，在紧凑排布棒束中，流动与传热主要由节径比主导：在相同运行条件下，节径比越大，对流传热越强烈。Ning等[17]研究了紧密排布三角形棒束子通道中He-Xe气体混合物的流动。其结果表明转捩始于Re= 2000，转捩区从Re= 2000～5000平缓延伸，此后才建立完全湍流。增大Re会使主流区速度剖面趋于平坦，但边界层内速度梯度变陡。Hou等[20]研究了紧束燃料棒束中He-Xe气体混合物的共轭传热，考虑了燃料、气隙与包壳中的热传导，探讨了节径比（P/D）对传热、压降及速度场的影响。结果表明共轭传热显著影响传热特性。这些研究为本文几何的选取和流场解读提供了重要依据，但尚未在低速强加热条件下建立棒束温度分层与浮力、流动加速耦合作用之间的机理关联。

理解这一耦合作用至关重要，因为强加热会同时放大轴向流动加速与横向密度差异。许多学者已对其它工质中的温度分层进行了研究[21]、[22]、[23]，发现该现象源于浮力与流动加速的共同作用。对于He-Xe，Ning等[24]数值识别了水平棒束中浮力驱动的流动分层与传热恶化现象。在紧凑排布条件下，浮力效应减弱，使温度分层不明显。Wang等[25]数值模拟了He-Xe气体混合物的自然循环回路，揭示了混合物的垂直分层现象。Li等[26]对紧密排布三角形棒束中He-Xe气体混合物的强制对流传热与温度分层进行了实验研究。尽管已有这些有价值的贡献，但关于轴向加速与浮力如何耦合作用以决定水平子通道中流态转变的系统认知仍有待建立。

综上所述，尽管圆管内He-Xe传热已得到广泛研究，但低速条件下水平棒束中不均匀流动与传热问题仍研究不足。为阐明温度分层对棒束传热的影响，本工作聚焦于水平棒束中40 g/mol He-Xe气体混合物的温度分层。通过数值模拟并参考700 kWe气冷空间反应堆的几何参数，对低速流动进行建模，以识别浮力与流动加速对温度分层的影响，分析其耦合机理，区分流动流态演化阶段，并评估现有传热关联式在不同条件下的适用性。本研究有助于深入理解水平棒束中He-Xe气体混合物的流动与传热特性及温度分层机理，为超高温气冷堆的热工水力学设计与关联式选取提供理论基础。

各节摘要

几何模型与网格独立性验证

图1给出了基于700 kWe气冷空间反应堆[27]结构参数的三棒束堆芯流道流体域几何模型。尽管通道尺寸取自空间反应堆设计，本研究中的水平模型是在地面重力条件下计算的，以考察与浮力相关的子通道非对称性。该简化几何作为机理分析的代表性局部子通道模型。燃料棒为

变物性对流动、传热与温度分层的影响

本节首先确立加热对He-Xe流动的整体影响，再考察单个子通道的局部行为。在不同入口流速与热流密度下，分析了混合物物性、速度、雷诺数、流动加速参数及整体传热性能的轴向演化规律。这些结果揭示了温度依赖的物性变化和加热引起的流动加速如何改变整体流场，并为

结论

本研究通过数值模拟，考察了节径比（P/D）为1.11的水平三棒束通道中40 g/mol He-Xe气体混合物的温度分层与传热特性，分析了热流密度与入口流速的影响，特别关注浮力与流动加速的耦合作用。主要结论总结如下。

（1）在低入口流速、高热流密度条件下，热膨胀使

CRediT作者贡献声明

Tang Chuyunxi（汤楚云溪）：初稿撰写、研究方法、数据整理。Luo Mao（罗茂）：研究方法、数据整理。Xie Lin（谢林）：数据整理。Ge Xiaojian（葛晓健）：调查研究。Zhao Fulong（赵福龙）：论文审阅与编辑。Deng Jian（邓建）：论文审阅与编辑。Tan Sichao（谭思超）：论文审阅与编辑。Tian Ruifeng（田瑞丰）：论文审阅与编辑。

利益冲突声明

不存在利益冲突。

致谢

作者感谢黑龙江省自然科学基金（LH2024A013）和灵创基金项目的支持。

Chuyunxi Tang|Mao Luo|Lin Xie|Xiaojian Ge|Fulong Zhao|Jian Deng|Sichao Tan|Ruifeng Tian