液態(tài)金屬湍流換熱的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、液態(tài)金屬在新一代核能技術(shù)領(lǐng)域中具有非常重要的應(yīng)用，但低普朗特?cái)?shù)Pr的物性使得它們湍流換熱的表現(xiàn)與空氣、水大不相同，因此需要深入研究其特性。液態(tài)金屬湍流換熱的實(shí)驗(yàn)研究困難，提供的數(shù)據(jù)主要是換熱系數(shù)、壓降等宏觀量，無法給出精確的湍流場(chǎng)信息，因此需要借助數(shù)值手段。而數(shù)值方法中工程應(yīng)用最廣泛的雷諾平均模擬RANS方法使用的湍流熱通量模型是針對(duì)空氣或水的，研究表明這不適用于低Pr數(shù)流體研究，無法提供準(zhǔn)確溫度場(chǎng)信息。而直接數(shù)值模擬DNS方法，不采用

2、任何模型并且可以提供精確的瞬時(shí)三維場(chǎng)數(shù)據(jù)，所以成為本文研究液態(tài)金屬湍流換熱特性的主要方法。
　　本文主要采用DNS方法開展了以鉛鉍合金LBE為代表的液態(tài)金屬的湍流換熱機(jī)理研究。在圓管中重點(diǎn)分析了湍流混合對(duì)流研究中浮力輔助流下的換熱機(jī)理;在后臺(tái)階中研究了不同Pr數(shù)對(duì)強(qiáng)迫對(duì)流換熱的影響，以及比較了浮力效應(yīng)在后臺(tái)階浮力輔助流和抵抗流中的差異。
　　圓管湍流混合對(duì)流研究中發(fā)現(xiàn)輔助流下近壁面各量及換熱隨浮力增大呈現(xiàn)先減小后增強(qiáng)的變化，

3、這主要是由于浮力對(duì)平均場(chǎng)的改變導(dǎo)致湍流發(fā)生變化。浮力較弱時(shí)，壁面熱流體加速抑制了湍流邊界層中的噴射-掃掠事件，湍流被削弱，甚至出現(xiàn)層流化;隨著浮力的進(jìn)一步增強(qiáng)，流向速度峰值逐漸接近加熱壁面，徑向分布呈現(xiàn)M型，此時(shí)剪切應(yīng)力反向增大，湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)增大，湍流增強(qiáng)。相比于空氣湍流混合對(duì)流，浮力對(duì)液態(tài)金屬流動(dòng)的影響更顯著。
　　后臺(tái)階強(qiáng)迫對(duì)流顯示低Pr數(shù)流體的努賽爾數(shù)Nu極大值點(diǎn)與再附著點(diǎn)重合;Pr數(shù)增大，溫度脈動(dòng)和換熱都會(huì)增強(qiáng)，它們的極大

4、值位置都會(huì)向上游移動(dòng);剪切層帶來的高強(qiáng)度渦旋沖擊是再附區(qū)換熱增強(qiáng)的主要原因;回流區(qū)內(nèi)湍流熱輸運(yùn)的作用比較顯著，即使是對(duì)于低Pr數(shù)流體?；謴?fù)區(qū)內(nèi)低Pr數(shù)流體的湍流普朗特?cái)?shù)Prt分布不均勻，這給液態(tài)金屬后臺(tái)階湍流換熱的RANS模擬帶來挑戰(zhàn)。
　　浮力對(duì)液態(tài)金屬后臺(tái)階湍流換熱有重要影響。輔助流下浮力加速熱流體，使得二次渦增大并超過主渦，壁面摩擦系數(shù)增大;回流區(qū)縮小，剪切層的縮短使湍流強(qiáng)度整體減弱;主渦向上游攜帶的熱量減少因而Nu數(shù)增強(qiáng);

5、理查森數(shù)Ri=0.2時(shí)可見浮力的作用開始使近壁面湍流增強(qiáng)。抵抗流下很小的Ri就能使回流區(qū)迅速擴(kuò)大，主渦占據(jù)整個(gè)回流區(qū)，二次渦幾乎消失，壁面摩擦系數(shù)減小;剪切層拉長使得湍流強(qiáng)度增強(qiáng);主渦向上游攜帶熱量增加因而回流區(qū)內(nèi)Nu數(shù)減弱。
　　此外，基于本文后臺(tái)階DNS數(shù)據(jù)和棒束子通道換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)系式，本文還對(duì)RANS方法湍流熱通量封閉模型進(jìn)行改進(jìn)，采用Prt模型取代常數(shù)0.85。對(duì)不同Prt模型進(jìn)行比較分析后發(fā)現(xiàn)，基于當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)參數(shù)的Kays模