[发明专利]套管式热流通道内温度分布及边界线功率密度计算方法

说明书

本发明公开了一种套管式加热流动通道内温度分布及边界线功率密度计算方法，步骤如下：令q_W、δT和λ分别为中心加热通道边界处线功率密度、温度分布峰值和当量导热系数。首先建立待估算套管式加热通道等效模型，确定等效模型几何尺寸和内热源强度。然后根据热传导定律和能量守恒定律得出q_W与δT、λ之间的关系式和无量纲温度峰值沿轴向分布δT(x,λ)/ΔT，并迭代得出λ的值。最后将λ代入δT(x,λ)中，结合δT、λ、q_W之间的关系式得出δT和q_W沿轴向的分布。本发明操作简单，精度高，可用于计算套管式换热器、核反应堆闭式燃料组件等热工装置横向传热能力及温度分布；此外，可获得套管式加热装置内温度峰值，对确定加热装置的热点和安全限值具有重要意义。

技术领域

本发明属于换热器设计计算和核反应堆热工安全分析计算领域，具体涉及一种套管式加热流动通道内温度分布及边界线功率密度计算方法。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，是支撑工业进步的重要源泉。在当今能源工业中，套管式加热装置广泛存在于换热器、采用闭式燃料组件的核反应堆堆芯以及立式自然循环蒸汽发生器中。在设计上述热工过程装备时，确定加热通道的横向传热能力对于掌握此加热装置的温度分布、换热能力以及安全限值至关重要。

从中心加热通道导入冷却通道的中心加热通道边界线功率密度q_W表征着此类加热装置的横向传热能力和安全特性。目前，对中心加热通道边界线功率密度q_W的研究主要采用CFD模拟方法和实验法。由于套管式加热组件内部几何结构一般较为复杂，流道狭长，中心加热通道和边缘冷却通道尺寸相差较大，给网格划分带来了困难，容易导致网格质量差，空间填充效率低，占用计算内存过多等问题；并且在流动通道某些局部细节刻画上，计算网格往往与真实情况存在差异，导致模拟结果存在较大不确定性误差，计算结果可靠性低。

中心加热通道边界线功率密度q_W也很难通过实验直接测量。由于套管式加热组件内部几何结构一般较为复杂，工作环境较为特殊，因此测温装置的布置较为困难，测温点的位置和数量往往受到很大限制。此外，在采用热电偶/热电阻温度计直接测量中间加热通道内壁温度时，往往会对流场、温度场带来较大的影响，因此测量结果可信度较低。

目前，在对套管式加热通道的理论分析计算中，多采用加热通道截面平均温度T_n替代加热通道壁温T_W，代入对流换热关系式q_W＝h(T_W-T_h)中计算中心加热通道边界线功率密度q_W。(其中T_h是边缘冷却通道流体平均温度)这种方法容易高估加热通道的壁温，从而高估加热装置内的横向传热能力，因此这种方法在进行加热装置热工安全分析计算时，其结果缺乏保守性。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：针对现有的技术不足，提供一种套管式加热流动通道内温度分布及边界线功率密度计算方法，此方法通过将套管式流体加热通道简化成相应等效几何模型，结合固体导热的傅里叶热传导定律，导出温度峰值δT和中心加热通道边界线功率密度q_W之间的半理论半经验关系式。有效避免了CFD方法计算开销大，对通道几何还原度差的缺点和传统估算方法缺乏保守性的问题，可在有效节省计算资源的同时尽可能准确地估算中心加热通道边界线功率密度q_W。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种套管式加热流动通道内温度分布及边界线功率密度计算方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据待估算套管式加热流动通道的实际布置情况，建立相应的等效模型和边界条件，将待估算套管加热流动通道等效为含有均匀内热源的圆柱形或棱柱形等效模型和相应边缘冷却通道；