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基于热管传热的斯特林高温部件CFD敏感性研究

游尔胜 李依依 幸奠川 蒋顺利 王甜蜜 徐建军

游尔胜, 李依依, 幸奠川, 蒋顺利, 王甜蜜, 徐建军. 基于热管传热的斯特林高温部件CFD敏感性研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 220-227. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0220
引用本文: 游尔胜, 李依依, 幸奠川, 蒋顺利, 王甜蜜, 徐建军. 基于热管传热的斯特林高温部件CFD敏感性研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 220-227. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0220
You Ersheng, Li Yiyi, Xing Dianchuan, Jiang Shunli, Wang Tianmi, Xu Jianjun. CFD Sensitivity Study of Stirling High Temperature Components Based on Heat Pipe Heat Transfer[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 220-227. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0220
Citation: You Ersheng, Li Yiyi, Xing Dianchuan, Jiang Shunli, Wang Tianmi, Xu Jianjun. CFD Sensitivity Study of Stirling High Temperature Components Based on Heat Pipe Heat Transfer[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 220-227. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0220

基于热管传热的斯特林高温部件CFD敏感性研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0220
基金项目: 国防科技重点实验室军科委基金(JKJJ-0124-0502-02)
详细信息
    作者简介:

    游尔胜(1992—),男,博士研究生,现主要从事新型核反应堆技术方面的研究,E-mail: youersheng@126.com

  • 中图分类号: TL331

CFD Sensitivity Study of Stirling High Temperature Components Based on Heat Pipe Heat Transfer

  • 摘要: 热管-斯特林耦合结构是热管堆系统中热管传热管束与斯特林发电机的几何和传热接口,负责将热管传递过来的堆芯热量传递给斯特林发电机内部的氦气工质。本文采用计算流体动力学(CFD)方法对热管-斯特林耦合结构的传热过程进行了计算分析,研究了多种冷、热边界对有效传热量、总传热温差等特征参数以及孔道表面温度分布的影响规律。研究结果表明,氦气侧换热能力对传热过程有一定影响,提高对流换热系数或降低氦气温度有利于进一步提高有效传热量。相比之下,热管侧边界条件对传热过程的影响更大,有可能在耦合结构的起始位置造成很大的温度梯度,使总传热温差明显变大,进而影响热管传热安全。因此,需要增强热管向斯特林高温部件的传热能力,并将最大热流密度限制在150 kW/m2以下,以确保热管堆系统运行过程中的热工安全。

     

  • 图  1  双机对置式斯特林发电机结构示意图

    Figure  1.  Stirling Engines of Double Opposite Type

    图  2  热管-斯特林耦合结构的典型单元

    Figure  2.  Typical Unit of the Heat Pipe-Stirling Coupling Structure

    图  3  耦合结构传热功率随氦气冷却能力的变化

    Figure  3.  Variation of Coupling Structure Heat Transfer Power with Cooling Capacity

    图  4  热管孔道传热功率随氦气温度的变化

    Figure  4.  Variation of Heat Transfer Power in Heat Pipe Channels with Helium Temperature

    图  5  热管孔道传热功率随对流换热系数的变化

    h—对流换热系数

    Figure  5.  Variation of Heat Transfer Power in Heat Pipe Channels with the Convective Heat Transfer Coefficient

    图  6  总传热功率随加热条件的变化

    Figure  6.  Variation of Heat Transfer Power with Heating Conditions

    图  7  总传热温差随热管表面热流密度的变化

    Figure  7.  Variation of Total Heat Transfer Temperature Difference with Heat Flux Density

    图  8  等壁温边界下的温度场计算结果(工况2-1)

    Figure  8.  Calculated Temperature Field under Constant Wall Temperature Boundary Condition (Case 2-1)

    图  9  等热流边界下的温度场计算结果(工况4-3)

    Figure  9.  Calculated Temperature Field under Constant Heat Flux Boundary Condition (Case 4-3)

    图  10  等热流边界条件下的各项传热温差

    Figure  10.  Separate Heat Transfer Temperature Difference under Constant Heat Flux Boundary Condition

    图  11  等壁温与等热流的孔道表面温度对比

    Figure  11.  Comparison of Channel Surface Temperature between Two Boundary Conditions

    表  1  冷端边界的敏感性计算工况

    Table  1.   Sensitivity Calculation of Cold-side Boundary

    工况边界条件孔道
    壁温/℃
    氦气
    温度/℃
    对流换热系数/
    (W·m−2·K−1)
    1-0等壁温边界8507004000
    1-1等壁温边界8506004000
    1-2等壁温边界8506504000
    1-3等壁温边界8507504000
    1-4等壁温边界8508004000
    2-1等壁温边界8507002000
    2-2等壁温边界8507003000
    2-3等壁温边界8507005000
    2-4等壁温边界8507006000
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    表  2  多种冷端边界条件下的CFD计算结果

    Table  2.   CFD Simulation Results under Different Cold-side Boundaries

    工况传热功率与偏差传热温差
    总传热功率/kW最大单孔传热功率/kW最小单孔传热功率/kW孔道传热功率偏差/%总温差/℃固体导热温差/℃氦气换热温差/℃
    1-0225.06.145.059.715081.868.2
    1-1375.010.208.419.7250136.2113.8
    1-2300.08.196.739.7200109.091.0
    1-3150.04.103.369.710054.545.5
    1-475.02.051.689.75027.222.8
    2-1150.84.073.566.815058.591.5
    2-2192.75.244.418.615072.078.0
    2-3251.06.875.5510.615089.160.9
    2-4272.67.485.9611.215094.955.1
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    表  3  热端边界的敏感性计算工况

    Table  3.   Sensitivity Calculation of Hot-side Boundary

    工况 边界条件 孔道
    壁温/℃
    热流密度/
    (kW·m−2)
    氦气
    温度/℃
    对流换热系数/
    (W·m−2·K−1)
    1-0 等壁温边界 850 700 4000
    3-1 等壁温边界 750 700 4000
    3-2 等壁温边界 800 700 4000
    3-3 等壁温边界 900 700 4000
    3-4 等壁温边界 950 700 4000
    4-1 等热流边界 150 700 4000
    4-2 等热流边界 200 700 4000
    4-3 等热流边界 250 700 4000
    4-4 等热流边界 300 700 4000
    4-5 等热流边界 350 700 4000
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    表  4  多种热端边界条件下的CFD计算结果

    Table  4.   CFD Simulation Results under Different Hot-side Boundaries

    工况 传热功率与偏差 传热温差
    总传热功率/kW 最大单孔传热功率/kW 最小单孔传热功率/kW 孔道传热功率偏差/% 总温差/℃ 固体导热温差/℃ 氦气换热温差/℃
    1-0 225.0 6.14 5.05 9.7 150.0 81.8 68.2
    3-1 75.0 2.05 1.68 9.7 50.0 27.2 22.8
    3-2 150.0 4.10 3.36 9.7 100.0 54.5 45.5
    3-3 300.0 8.19 6.73 9.7 200.0 109.0 91.0
    3-4 375.0 10.20 8.41 9.7 250.0 136.2 113.8
    4-1 91.5 2.48 1.99 10.5 114.7 86.9 27.8
    4-2 122.1 3.30 2.66 10.5 152.9 115.9 37.0
    4-3 152.6 4.13 3.32 10.5 191.2 144.9 46.3
    4-4 183.1 4.95 3.99 10.5 229.4 173.8 55.6
    4-5 213.6 5.78 4.65 10.5 267.6 202.8 64.8
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-01-06
  • 修回日期:  2025-03-10
  • 刊出日期:  2025-06-15

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