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基于NSGA算法的槽道型钠热管优化设计

张建松 梅华平 李桃生

张建松, 梅华平, 李桃生. 基于NSGA算法的槽道型钠热管优化设计[J]. 核动力工程, 2024, 45(S2): 238-244. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0238
引用本文: 张建松, 梅华平, 李桃生. 基于NSGA算法的槽道型钠热管优化设计[J]. 核动力工程, 2024, 45(S2): 238-244. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0238
Zhang Jiansong, Mei Huaping, Li Taosheng. Optimization Design of Grooved Sodium Heat Pipe Based on NSGA Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S2): 238-244. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0238
Citation: Zhang Jiansong, Mei Huaping, Li Taosheng. Optimization Design of Grooved Sodium Heat Pipe Based on NSGA Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S2): 238-244. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0238

基于NSGA算法的槽道型钠热管优化设计

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0238
基金项目: 合肥市自然科学基金(2022032);安徽省重点研究与开发计划项目(2022107020018)
详细信息
    作者简介:

    张建松(1994—),男,助理工程师,现主要从事反应堆高温热管、反应堆机械工程等方面的研究,E-mail: Zjiansong@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者:

    梅华平,E-mail: huaping.mei@inest.cas.cn

  • 中图分类号: TL331;TK172

Optimization Design of Grooved Sodium Heat Pipe Based on NSGA Algorithm

  • 摘要: 碱金属钠热管由于具有工作温度高、传热性能好的特点,因此在高超声速飞行器,微型核反应堆以及太阳能等领域应用前景广阔。本文针对某热管冷却空间核反应堆需要,设计了一种梯形槽道钠热管,并基于NSGA-Ⅲ的遗传学算法,研究了工作温度、蒸气腔直径和槽道数对钠热管传热极限的影响,提出了在热管冷却空间核反应堆服役条件下钠热管传热能力的最优解方案。研究发现,毛细极限随温度升高先升高后降低,在工作温度范围内,携带极限和冷凝极限易成为所设计热管的传热极限,当工作温度为1256 K,蒸气腔直径为12.8 mm,槽道数为20时,所设计热管的传热极限为4.56 kW。设计的梯形槽道钠热管符合马赫数要求和有效毛细半径要求。

     

  • 图  1  热管截面示意图

    du—槽道上底宽;dl—槽道下底宽;dv—蒸气腔直径

    Figure  1.  Schematic Diagram of Heat Pipe Section

    图  2  传热极限与工作温度的关系

    Figure  2.  Relationship between Heat Transfer Limits and Operating Temperature

    图  3  传热极限与蒸气腔直径的关系

    Figure  3.  Relationship between Heat Transfer Limits and Vapor Chamber Diameter

    图  4  传热极限与槽道数的关系

    Figure  4.  Relationship between Heat Transfer Limits and Groove Number

    图  5  热管模型优化的Spacing进化轨迹

    Figure  5.  Spacing Evolution Trajectory of Heat Pipe Model Optimization

    图  6  热管模型优化的HV进化轨迹

    Figure  6.  HV Trajectory of Heat Pipe Model Optimization

    图  7  槽道型高温钠热管优化步骤

    Figure  7.  Optimization Steps for Grooved High Temperature Sodium Heat Pipe

    图  8  Pareto图像

    Figure  8.  Pareto Optimal Fronts

    图  9  热管Ma与蒸气腔直径的变化关系

    Figure  9.  Relationship between Heat Pipe Ma and Vapor Chamber Diameter

    表  1  热管基本参数

    Table  1.   Basic Parameters of Heat Pipe

    壳体材料 壳体外
    径$ {d}_{\mathrm{o}} $/mm
    壳体内
    径$ {d}_{\mathrm{i}} $/mm
    蒸发段
    长$ {l}_{\mathrm{e}} $/mm
    绝热段
    长$ {l}_{\mathrm{a}} $/mm
    冷凝段
    长$ {l}_{\mathrm{c}} $/mm
    沟槽比
    $ {d}_{\mathrm{u}} $/$ {d}_{\mathrm{l}} $
    因科镍-600 25 20 300 300 400 0.4
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    表  2  钠的物性参数

    Table  2.   Physical Property Parameters of Sodium

    物性参数 描述
    气体常数$ R\mathrm{_v} $ $ R_{\mathrm{v}}=361.6355 $
    饱和蒸气压$ p $/Pa $ p=2.09\times10^{11}\times T_{_{\mathrm{w}}}^{-0.5}\times10^{-5576/T_{_{\mathrm{w}}}} $
    液体动力粘度$ \mu_1 $/(Pa·s) $ \mu_1=\mathrm{ }6.083\times10^{-9}\times T_{_{\mathrm{w}}}+1.2606\times10^{-5} $
    液体密度$ \rho_1 $/(kg·m−3) $ \rho_1=950.05-0.2298\times T_{_{\mathrm{w}}} $
    表面张力$ \delta $/(N·m−1) $ \delta=0.232-1.0\times10^{-4}\times T_{_{\mathrm{w}}} $
    汽化潜热$ h $/(J·kg−3) $ h=4.63644\times10^6-180.817\times T_{_{\mathrm{w}}} $
    气体密度$ \rho_{\mathrm{\mathrm{v}}} $/(kg·m−3) $ \rho\mathrm{_v}=(p\times M)/\left(R\mathrm{_u}\times T_{_{\mathrm{w}}}\right) $
    气体动力粘度$ \mu_{\mathrm{v}} $/(Pa·s) $ \mu_{\mathrm{v}}=\mathrm{ }6.083\times10^{-9}\times T_{_{\mathrm{w}}}+1.2606\times10^{-5} $
    工质导热系数$ \lambda\mathrm{_l} $/[W·(m·K)−1] $ \lambda\mathrm{_l}=92.95-0.0581\times T_{_{\mathrm{w}}}+1.17274\times10^{-5}\times T_{_{\mathrm{w}}}^2 $
      Tw—热管的工作温度;M—工质摩尔质量;Ru—通用气体常数
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    表  3  各传热极限值

    Table  3.   List of Heat Transfer Limits

    传热极限名称数值/kW
    毛细极限19.62
    声速极限107.21
    携带极限4.66
    沸腾极限58.33
    粘性极限12601.76
    冷凝极限4.56
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-01
  • 修回日期:  2024-10-22
  • 刊出日期:  2025-01-06

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