环形通道内定位格架对超临界水传热的影响

许多挺，李虹波，杨 珏，赵 萌，顾汉洋

（1.上海交通大学 核科学与工程学院，上海 200240；2.中科华核电技术研究院有限公司，广东 深圳 518026）

环形通道内定位格架对超临界水传热的影响

许多挺1，李虹波2，杨 珏2，赵 萌1，顾汉洋1

（1.上海交通大学 核科学与工程学院，上海 200240；2.中科华核电技术研究院有限公司，广东 深圳 518026）

定位格架对棒束内流动传热具有极重要的影响，目前定位格架对超临界水传热的影响仍无相应的试验数据。本文基于上海交通大学完成的超临界水在环形通道内的对流传热试验，评价了传统定位格架对下游传热系数衰减关联式的适用性。试验结果表明，定位格架的面积阻塞比对格架下游传热系数衰减规律有很大影响；在超临界压力与次临界压力条件下，定位格架下游传热系数衰减规律也有较大的差异。

定位格架；超临界水；流动传热；衰减

堆芯燃料棒束定位格架除了对燃料棒起到支撑作用外，还能确保燃料棒之间保持合适的间隙，同时，定位格架的存在，不仅使流体流动过程中经历扰动，随之流动传热强度增加，而且可有效消除传热恶化。所以，定位格架对流体流动传热的影响备受人们关注。

Yao等［1］研究了棒束中定位格架对流动传热的影响，指出定位格架下游Nu呈指数衰减，衰减速率与定位格架对流道的面积阻塞比有关，并首次提出Nu衰减关系式。Miller等［2］开展了单相蒸汽在棒束中的流动传热试验，结果表明，定位格架下游Nu的衰减不仅受其面积阻塞比的影响，还受局部雷诺数的影响，即跟流动状态有关，进而提出了新的Nu衰减关系式。Moon等［3］的单相蒸汽传热试验结果表明，流道内定位格架前后均出现了对流传热强化的现象，且只有当雷诺数低于10 000时，流动状态才会对传热系数的衰减规律造成较大的影响，Yao公式和Miller公式所使用的试验数据基于高雷诺数和低面积阻塞比的工况。Wang等［4］开展了带有扰丝的环形通道内超临界水的流动传热试验，结果表明，扰丝对流动传热的影响距离跟流动状况有关，且扰丝可有效消除当壁面热流密度与质量流速的比值较高时所发生的传热恶化。Bishop等［5］提出了超临界压力下水的对流传热关联式，该公式的提出同时基于超临界水在环形通道与圆管中的对流传热试验，可应用于充分发展时超临界水在环形通道内的对流传热。

本文进行环形通道内超临界水传热试验，重点研究超临界压力下定位格架下游Nu衰减规律，以及这种规律在超临界压力与次临界压力工况的区别，为超临界水冷堆热工设计奠定基础。

1 试验

本试验在上海交通大学超临界水闭式回路系统（SWAMUP）上开展，试验压力分别为次临界压力（15.5MPa）与超临界压力（23.1、25.1MPa），质量流速范围为750～1 450kg／（m2·s），壁面热流密度范围为600～1 400kW／m2。环形通道内外圆管截面分别为φ32mm× 8.4mm和φ8mm×1.5mm，构成的环形间隙为3.6mm，通道长2 000mm。定位格架长度为8mm，分别采用两种定位格架与布置方式，第1种布置方式：4个定位格架与入口距离分别为400、800、1 200、1 600mm；第2种布置方式：4个定位格架与入口距离分别为50、600、1 200、1 800mm。使用直流电加热方式加热内管，材质为inconel718不锈钢，外管外包保温棉，其内壁视为绝热面，使用K型滑移热电偶测定内管内壁面温度。两种定位格架的截面形状如图1所示，第1种定位格架面积阻塞比为0.499，第2种定位格架面积阻塞比为0.233。

图1 定位格架截面形状Fig.1 Cross section of spacer grid

2 数据处理方法

利用试验获得内管内壁轴向温度分布，使用一维径向导热方程得到外壁面温度分布，壁面对流传热系数h为：

局部努赛尔数Nu为：

式中：q为壁面热流密度；tw为内管外壁面温度；tf为局部冷却水温度；Dh为环形通道水力直径；λ为冷却水导热系数。

考虑流动状况的影响时，将定位格架下游Nu衰减关系式定义为如下形式：

式中：A、b、c为拟合系数；ε为定位格架面积阻塞比；x为定位格架下游距离。

3 试验结果

3.1 环形通道中Nu分布趋势

表1为超临界压力与次临界压力条件下使用不同定位格架时的3种典型的试验工况，图2为对应于3种试验工况时Nu沿流动方向的分布。

表1 试验工况Table 1 Experiment case

图2 沿流动方向Nu分布Fig.2 Nudistribution along flow direction

由图2可看出，在冷却水流经定位格架时，流体受到扰动，对流传热强度增加，Nu急剧增大，在定位格架下游区域，随着流动趋于稳定，Nu逐渐减小。在超临界压力与次临界压力下，运用Bishop公式能预测不同工况下冷却水充分发展后的Nu。

3.2 定位格架下游流动传热衰减规律

在超临界压力下对第1种定位格架下游试验数据进行拟合，得定位格架下游Nu衰减关系式：

超临界压力下第1种定位格架下游Nu衰减规律示于图3。由图3可看出，传统的定位格架下游Nu衰减关系式在定位格架下游15倍x／Dh范围内显著高估了定位格架对传热的强化作用。当x／Dh＞15时，Yao公式能较好地预测超临界压力下的工况。另外，由图3还可看出，当前的预测公式在定位格架下游6倍x／Dh范围内略微低估了定位格架对传热的强化作用，一方面是由于在面积阻塞比较大时，定位格架对下游传热强化的作用难以预测；另一方面是为了与下文中的公式保持一致的形式，在数据处理过程中必须采用统一的方法；且在试验过程中，由于超临界水的物性变化导致定位格架末端的温度测量存在一定误差，最终使得预测公式未能完全符合试验值。

在超临界压力下对第2种定位格架下游试验数据进行拟合，得定位格架下游Nu衰减关系式：

图3 超临界压力下第1种定位格架下游Nu衰减规律Fig.3 Decay rule of Nuin downstream locations of the first spacer grid at supercritical pressure

超临界压力下第2种定位格架下游Nu衰减规律示于图4。由图4可看出，虽然此时定位格架面积阻塞比降为0.233，但是传统的定位格架下游Nu衰减关系式也不能准确预测超临界压力下Nu衰减规律。同时，当定位格架面积阻塞比从0.499下降到0.233后，衰减关系式发生了很大的变化，说明定位格架的面积阻塞比对Nu的衰减规律有很大影响。当定位格架面积阻塞比减小时，对流体的扰动作用减弱，此时，湍流强度对Nu衰减速度的影响变小。

图4 超临界压力下第2种定位格架下游Nu衰减规律Fig.4 Decay rule of Nuin downstream locations of the second spacer grid at supercritical pressure

在次临界压力下对第2种定位格架下游试验数据进行拟合，得定位格架下游Nu衰减关系式为：

次临界压力下第2种定位格架下游Nu衰减规律示于图5。由图5可看出，在次临界压力下，Yao公式可很好地预测定位格架下游Nu衰减规律。同时，由拟合关系式可看出，在超临界压力与次临界压力下，定位格架下游Nu衰减规律不同。首先，在超临界压力下，Re的增加使Nu衰减速度变慢，而在次临界压力下，Re的增加使Nu衰减速度变快；其次，由于在超临界压力下，流体的密度与动力黏度下降，导致流体与壁面之间、流体内部微元体之间相互作用减弱，抑制了湍流扩散的能力，所以，流体流经定位格架受到扰动时，需要流过更长的距离才能实现流型重组，使流动传热恢复到定位格架之前的状态。从另一角度可认为，在超临界压力下，定位格架对流动传热的影响距离更长。

图5 次临界压力下第2种定位格架下游Nu衰减规律Fig.5 Decay rule of Nuin downstream locations of the second spacer grid at subcritical pressure

4 结论

本文通过试验的方法得到了环形通道中Nu沿流动方向的分布规律，总结了两种形状的定位格架在不同压力下定位格架下游Nu的衰减规律，结果表明：

1）次临界压力下定位格架下游Nu衰减关系式并不适用于超临界工况，同时，定位格架面积阻塞比对下游传热强化特征有显著的影响；

2）定位格架的面积阻塞比对Nu的衰减规律有很大影响，当定位格架的面积阻塞比下降时，Re对Nu的影响减弱；

3）相比于次临界压力，当流体处于超临界压力下时，Re的增加使得Nu衰减更快，而且由于密度与动力黏度的下降，定位格架对流动传热的影响距离更长，流体需要流过相对更长的距离才能使流动实现充分发展。

［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

许多挺（1989—），男，内蒙古阿拉善人，硕士研究生，核能科学与工程专业