水平紧密排列三角形棒束中强加热氦氙气流的浮力-加速竞争传热

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Heat transfer under buoyancy-acceleration competition in strongly heated helium-xenon flow through a horizontal tightly packed triangular rod bundle

　　

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  新数据涵盖了紧密水平棒束中强加热的氦-氙混合气体。
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  浮力占主导地位，而高流动加速度削弱了传热。
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  一个经验关联式捕捉了浮力-加速度竞争效应。
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  该关联式将平均绝对百分比误差从5.61%降低至3.67%。
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  浮力沿下游方向减弱，使得流动加速度相对更为重要。

引言

在深空探测和移动能源供应的前沿需求驱动下，气冷快堆（GCFRs）因其紧凑的结构和固有的安全性而受到广泛关注。对于陆基移动式微堆，He–Xe布雷顿循环已被探索为一种有前景的能量转换方案[1]。在空间动力应用中，NASA的普罗米修斯项目采用了He–Xe冷却[2]。另外，俄罗斯的设计研究提出了一种兆瓦级He–Xe冷却空间反应堆概念[3]。为了实现高效率和轻量化系统，GCFRs通常采用闭式布雷顿循环（CBC）[4]。堆芯冷却剂和CBC工作流体的选择对系统性能至关重要[5]。尽管纯氦表现出优异的传热性能，但其低分子量对透平机械施加了严重的气动载荷，导致压气机和涡轮级数过多。为克服这一工程瓶颈，He-Xe二元气体混合物被提出作为一种有前景的替代工作流体。综合考虑传热性能和气动载荷，摩尔质量为40 g/mol的He-Xe混合物被广泛认为是最佳组成[6]。这种特定混合物可以在保持良好热工水力性能的同时显著降低系统质量和体积[7]。作为一种特殊的低普朗特数流体，该组成的He-Xe的普朗特数（Pr）接近0.23，介于液态金属和常规气体之间[8]，[9]。气体混合物的组成也会影响其密度和粘度，这与流动行为相关[10]。He-Xe的低Pr值伴随着特定条件下非理想气体的可压缩性[5]，[11]。因此，He-Xe表现出与常规冷却剂（包括水和空气）不同的流动和传热行为，这使得现有的常规经验传热关联式往往不适用。

Taylor等人[12]实验研究了圆管中低普朗特数气体混合物的传热。他们发现Dittus-Boelter关联式高估了努塞尔数（Nu），而Petukhov-Popov和Kays关联式表现更好。Qin等人[13]随后在圆管中测试了He-Xe，并针对不同雷诺数范围开发了平均Nu关联式。Elistratov等人[14]报道了He-Xe管实验中非单调的传热响应，并将下降归因于气体加速。Vitovsky等人[15]研究了入口区传热，并提出了考虑边界层发展的局部Nu模型。对于强加热气体流动，直接数值模拟考察了与变物性、浮力和加速度相关的湍流抑制和层流化现象[16]，[17]。Lee等人[18]实验研究了向上气体流动中浮力和加速度引起的恶化湍流传热（DTHT）。后续研究考察了代表棒束子通道的非圆形通道。Qin等人[19]数值证明了三叶形通道中周向传热不均匀性，而Nakoryakov和Vitovsky[20]实验比较了圆形和准三角形通道。Vitovsky等人[21]结合实验和模拟评估了准三角形通道中的He-Xe传热。准三角形通道的研究进一步识别了与流动发展和加速度相关的非均匀局部传热[22]，[23]。

尽管上述基于简化单通道模型的研究提供了重要参考，但它们无法完全代表真实的堆芯几何结构。为提高堆芯紧凑性，反应堆设计通常采用紧密排列的三角形棒束，其中棒间距为棒直径的1.05–1.20倍（P/D = 1.05–1.20）[24]，[25]。Ning等人[26]数值表征了紧密He-Xe棒束中的二次流和子通道间湍流混合。Hou等人[27]表明共轭传热重新分配壁面热流密度并改变了窄间隙区域的传热。实验方法包括Zhang等人[28]针对He-Xe棒束冷却的空气相似性试验，以及Ren等人[29]的超临界CO₂测量。这些研究提供了有用的几何和热工水力见解，但未直接建立低普朗特数He-Xe混合物的传热行为[12]。Yang等人[30]数值发现螺旋丝增强了三角形子通道中的混合和传热。然而，Wang等人[31]报道了绕丝2 × 2棒束中的局部热点和整体传热降低。Vitovsky和Makarov[32]实验研究了定位格架对七棒束中传热和壁温分布的影响。然而，裸棒束的基础研究对于建立反应堆堆芯中的基准热工水力现象仍然至关重要。

在上述棒束研究中，重力效应通常被忽略，通道大多假设为垂直取向。然而，在空间核动力系统和特定移动反应堆设计中，堆芯通道可能水平布置，或可能以水平状态运行[33]。在强加热条件下，气体密度降低产生横向浮力，而热膨胀加速了流向流动。由此产生的浮力诱导二次运动和轴向加速度可以以相反的方式影响近壁混合和传热，特别是在主流惯性较弱的低雷诺数下[34]，[35]。

对于水平通道，Yu等人[34]结合实验和模拟证明了超临界水中浮力引起的上下壁面传热差异。Jackson[35]综述了浮力和热加速度在超临界压力下改变对流传热的机制。对于He-Xe混合物，Ning等人[33]数值表明紧密棒束约束（P/D = 1.09）削弱了浮力驱动的二次流，增加了热加速度的相对影响。Vitovsky等人[32]在带有定位格架的七棒束中进行了实验，但最高气体温度未超过50 °C，且定位格架扰动无法单独分离。Li等人[36]在相同水平三棒束中研究了较低相对加热强度下的传热，出口流体温度高达502.9 K。然而，对于水平紧密排列裸棒束中低雷诺数强加热He-Xe流动的实验证据仍然有限。特别是，浮力相关增强和加速度相关减弱之间的相对重要性，及其对平均传热关联式的影响，尚未通过实验充分确定。还需要局部测量来评估这些竞争影响在上游和下游位置之间的变化。

为填补这些空白，本研究实验研究了P/D = 1.15的水平紧密排列三角形裸棒束中40 g/mol的He-Xe混合物。63个稳态工况达到的最高壁面和流体体平均温度分别为1152.6 K和779.8 K。在C. Li等人[36]相同几何研究的基础上，本工作扩展了加热条件，以表征低雷诺数下的浮力-加速度竞争。平均传热数据与现有关联式进行了比较，并与该研究的数据集相结合。开发了一个包含Ri和Kv的经验竞争形式平均Nu关联式，提高了拟合范围内组合数据集的表示精度。进一步分析了三个轴向测量点处局部Re、Nu、Ri、Bo和Kv的变化趋势，以评估浮力和流动加速度相对效应的变化。这些结果为竞争效应提供了实验见解，并为强加热水平He-Xe棒束的传热评估提供了工程参考。

章节摘要

实验装置

本节描述了用于研究水平紧密排列棒束中强加热He-Xe流动的实验装置。介绍了HELIX回路、试验段几何结构和仪表，以及实验所涵盖的运行条件。

数据分析方法

本节介绍了处理实验数据和评估浮力与流动加速度竞争效应的方法。第3.1节描述了能量平衡、壁温修正和传热参数的计算。第3.2节定义了分析中使用的浮力和加速度参数。第3.3节介绍了He-Xe混合物的热物性模型，而第3.4节评估了测量和导出量的不确定度。

结果与讨论

本节考察了浮力和热膨胀引起的流动加速度对水平紧密排列三角形棒束通道中He-Xe混合物传热的竞争效应。第4.1节首先介绍了整体传热特性，然后使用Ri和Kv开发了经验竞争形式关联式，以考虑浮力和加速度相关效应。第4.2节比较了三个轴向测量点处的局部Re、Nu、Ri、Bo和Kv。

结论

进行了一项实验研究，以考察P/D = 1.15的水平紧密排列三角形裸棒束通道中40 g/mol He-Xe混合物的流动和传热特性。在强加热条件下测试了总共63个稳态运行工况，涵盖层流和过渡流态。主要结论总结如下：

(1) 现有的棒束传热关联式不能完全描述该

CRediT作者贡献声明

Zhuofan Li: 写作–原稿，调查研究。 Changzhong Li: 写作–审阅与编辑，方法论。 Hanlin Huang: 验证，数据管理。 Zhendong Zhang: 验证，数据管理。 Zhiyuan Pu: 可视化。 Chenglong Wang: 监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到中国核工业集团公司创新科学计划的支持。

Zhuofan Li|Changzhong Li|Hanlin Huang|Zhendong Zhang|Zhiyuan Pu|Chenglong Wang