流体力学和传热学

3）通过包壳（圆筒壁）的热传导 38
4) 堆芯冷却剂通道内的换热 燃料裂变所产生的热量，主要
通过元件的包壳传给冷却剂—— 对流换热。
Z
t0
tu
tg
tw tf
牛顿冷却定律
燃料包壳外表面热流密度（W／m2）
q h(Tw Tf ) hf
T
燃料芯块
包壳
表面传热系数
冷却剂主流温度℃
燃料包壳外表面温度℃
传热过程的总热阻等于各局部热阻之和，为了减少总热阻 首先就应减小局部热阻中最大的。
例如两侧分别为蒸汽和空气的金属管壁，若空气侧的换热
系数h1=30W/(m2·K)，蒸汽冷凝侧的换热系数h2 =5000W/(m2·K)。 一般金属管壁的导热系数较大，管壁较薄，所以管壁热阻常可忽
略。传热系数 h2增大一倍，k的值仅由29.82增大到29.91，
tmin
37Biblioteka 3.7 堆内传热过程1）核燃料元件内的热传导
裂变能主要产生于核燃料 元件内部，燃料元件的长径 比很大，因此可忽略轴向传 热，核燃料元件可看成是带 内热源的仅存在径向传热的柱状固体：
2）燃料芯块与包壳之间间隙的传热 没有内热源的薄层，热量通过这个充气的间隙主要是靠导热。
这个间隙虽然很薄，但它引起的温度一般可以达到几十甚至几 百℃，要对间隙热导进行精确的计算是很困难的。
表面传热系数是众多因素的函数：
h f (v, tw , tf , , cp , , , , l, Ω)
一些表面传热系数的数值范围
对流换热类型
表面传热系数 h /[W /( m2K])
空气自然对流换热
1～10
水自然对流换热
100～1 000
空气强迫对流换热
10～100
水强迫对流换热
100～15 000
管径突变）时，引起能量损失 h j
与流体速度的平方成正比
5
2.5 层流和紊流
判别准则 无量纲数Re数 圆管内流动 Re<2 320 层流
Re>2 320 紊流
104 Re 2320 过度流 Re 104 旺盛紊流 6
2.6 管内流动沿程阻力损失
1） 层流
hf
l d
cf2 2g
64
Re
达西公式
理想流体运动：总机械能守恒；
粘性流体运动：流层间的摩擦阻力会消耗机械能，因此，
近似为1
总机械能将沿流程减小。 单位质量流体从断面
z1
p1
1cf21
2g
z2
p2
2cf22
2g
hw
1-1到2-2消耗的机械 能—流体能量损失。
沿程损失—摩擦阻力引起的能量损失与流程长度成正比 h f
局部损失—流体流经局部障碍（如：管接头、弯头、闸阀、
传热方程
面积m2
Φ Ak(tf1 tf 2 ) Akt
传热系数[W/(m2·K)] ——表征传热过程强烈程度的标尺， 单位温差单位时间内通过单位面积转递的热量，与涉及物 体的物性、流体流速等与过程相关因素有关。
关键——k及Δt
28
2.传热的强化（削弱）
强化传热就是应用传热学的基本原理去增强传热效果： 增大传热面积； 增大传热温差； 最本质的是设法减小传热总热阻、增大传热系数。
流体力学研究流体的宏观特性，忽略流体的分子构成，把 它看作一种连续性的介质，认为其中没有任何间隙。
★ 流体的粘性
流体与固体壁面相接触，会粘附于固壁表面。 相邻两层流体作相对运动时也会产生摩擦阻力。
动力粘性系数和运动粘性系数
2
动力粘性系数 的大小与流体的种类、温度以及压力有
关。但压力的影响很小，一般只考虑温度的影响。
圆管层流的沿程损失系数与雷诺数成反比。
2） 紊流
7
2.7 局部阻力损失
hj
cf2 2g
8
9
10
11
12
2.8 蒸汽发生器一次侧阻力损失 1)沿程阻力
2) 局部阻力
A) 由进口接管至进口水室，通道截面
突然扩大的局部阻力；
4
3
B) 在进口水室内转弯的局部阻力；
2
C) 由进口水室至传热管束，通道截面 1
第二讲 流体力学基础
1
2.1 流体特性
★流体
气体 液体
比固体更易变形与压缩 流体只能承受压力，几乎不能承受拉力
连续介质假设
1mm3水中有3.34×1020个分子，平均经过10-11s，分子就会 从一个平衡位置 转向另一平衡位置，而在一般工程问题中描 述流体运动的空间尺度精确到0.01mm就满足精度要求。
13
第三讲 传热学ABC
14
3.1 热量传递的基本方式
热传导 热对流 热辐射
15
3. 2 热传导（导热）
1. 定义： 物体温度不同的各部分或温度不同的两物体间直接接
触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而 进行的热量传递现象。 注意：a 必须有温差； b 物体直接接触； c 可以在固体、液体、气体中发生。
33
增加管程 进一步增加管程和壳程
34
(3) 交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主要
特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管 翅式和板翅式三种。
(c) 板翅式交叉流换热器
35
单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度 的衡量指标，一般将大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热 器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。
▲液体的粘性系数随温度升高而降低; ▲气体的粘性系数随温度升高而增大。
实际流体都具有粘性，称为粘性流体或实际流体。为了简 化，假想一种没有粘性的流体——理想流体。
2.2 流体静力学基本方程
单位质量流体的位势能； 是相对于基准面的高度， 又称位置高度或位置水头
位势能与压力势能之和称为总势能； 位置水头与压力水头之和称为静水头
22
Departure from Nucleate Boiling
4) 换热表面的几何因素和物理性质： 内部流动对流换热：管内或槽内 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束
进口效应； 弯管效应； 非圆截面等
23
tw ts
g
横管与竖管对流换热系数之比：
l/d = 50，
hH 2.0 hV
24
5) 流体的热物理性质：密度、导热系数、黏度、比热容等
单位质量流体的 压力势能。
与一段液柱高度相当，
z p C
又称之为压力高度或 压力水头。
z1
p1
z2
p2
流体静力学基本方程3
流体静力学基本方程物理意义：
当均质不可压缩流体在重力场中处于静止时，在流体中的 任意点上，单位重量流体的总势能是常数。也可叙述为：任 意点的静水头均相等。
2.3 连续性方程 —流体质量守恒定律的数学表达形式。
0 C : 冰 2.22 W (m C); 水 0.551W (m C) 蒸汽 0.0183 W (mC)
一些材料在280K时的导热系数
材料名称 银 铜 软钢 不锈钢 木料 石棉 水 空气
/ W/(m K) 415.0 380.0 45.0 19.0 0.17 0.17 0.60 0.026
2. 对流换热的牛顿冷却公式
表面传热系数:W/(m2K)。
hA(tw tf )
q h(tw tf )
对流换热的核心是如何确定h及增强或削弱换热 研究对流换热的方法：
（1）分析法;（2）实验法;（3）比拟法;（4）数值法
19
3) 流动边界层和热边界层 边界层概念：当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯 度很大的流动边界层；当壁面与流体间有温差时，也会产 生温度梯度很大的温度边界层（或称热边界层） 边界层在壁面上形成和发展过程 由层流边界层过渡到湍流边界层， 但湍流边界层紧靠壁面处，粘滞力 占绝对优势，粘附于壁的一极薄 层仍然保持层流特征，具有最大的速度梯度——层流底层。
20
3. 对流换热的影响因素 1) 流动起因 自然对流：因流体各部分温度不同而引起的密度差异所产 生 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生
h强制 h自然
2) 流动状态 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流：流体质点做复杂无规则的运动
h湍流 h层流
3) 流体有无相变 单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
2. 三种类型换热器简介 套管式 壳管式(管壳式)
间壁式 交叉流换热器 板式
混合式 螺旋板式 蓄热式
管束式 管翅式 板翅式
31
3. 间壁式换热器的主要型式 (1)套管式换热器：有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流
体流量不大的情形
32
(2) 管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由管
束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。 两种流体分管程和壳程
只增大了0.3%；
k 1
1
29.82
11 h1 h2
1 30W/(m2
K)
1 5000W/(m2
K)
h1的值由30提高到60，k值将从29.82增大到59.29，提高将近一倍29。
在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是一种行之有效的提高 传热效果的方法
30
3.6 换热器的基本概念
1. 换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规 定的工艺要求的装置
对于定常流动
qm1
A1cf 1 v1
qm2
A2cf 2 v2
qm
Acf v
2.4 流体的伯努利方程
1）理想流体伯努利方程
z1
p1
cf21 2g
z2
p2
cf22 2g
4
伯努利方程的物理意义
在流场中或沿流线，单位质量流体具有的位势能、压力 势能及动能之和是一个常数，或，总机械能是常数。
2） 粘性流体总流的伯努利方程
h相变 h单相
21
tw ts
tw ts
珠状凝结换 热速率远大于 膜状凝结
g
g
CHF, Critical Heat Flux
大容器饱和沸腾共包 括4个换热规律不同的 阶段：
自然对流、 核态沸腾、 过渡沸腾、 稳定膜态沸腾
由于沸腾换热机理的变化 引起表面传热系数急剧下降 而导致壁面温度骤然升高的 现象称为沸腾危机。
综合1）、2），可以计算出堆芯 内部温度的分布。以棒状燃料元件 为例，典型的温度分布示意图
冷却剂 r
39
谢 谢！
40
5 6
突然缩小的局部阻力；
D) 在U型管弯头内转弯180的局部阻力；
E) 由传热管束至出口水室，通道截面 突然扩大的局部阻力；
一回路水动力计算简图 1：进口接管；2：进口水室；3：管板；4：U型管束；5：出
口水室；6：出口接管
F) 在出口水室内转弯的局部阻力；
G) 由出口水室至出口接管，通道截面突然缩小的局部阻力。
2. 导热的基本定律
Fourier定律
导热系数（热导率）[W/( m K)]
q tw1 tw2
16
3. 导热系数(热导率) 物理意义：表征物质导热能力大小，由实验测定。 影响因素：物质种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等
金属 非金属; 固相 液相 气相
纯铜 398 W (mC); 大理石 2.7W (mC)
(4) 板式换热器：
由一组几何结构相同 的平行薄平板叠加所 组成，冷热流体间隔 地在每个通道中流动， 特点：拆卸清洗方便， 适用于含有易结垢物 的流体。
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(5) 螺旋板式换热器： 换热表面由两块金属板卷制而成。 优点：换热效果好； 缺点：密封比较困难。
4. 对数平均温差
tm
tmax tmin ln tmax
水沸腾
2500～35 000
水蒸气凝结
5000～25 000
25
如表面积为A1、表面温度为 T1 、发射率为 1的物体被包容
在一个很大的表面温度为 T2 的空腔内，此时该物体发出的 热辐射全部到达空腔，物体与空腔表面间的辐射换热量
1 A1 b (T14 T24 )
27
3.5 传热过程 1. 传热过程——两流体间通过固体壁面进行的换热
17
4. 一维稳态导热
1) 单层平壁
q tw1 tw2
/
2) n层平壁 3) 单层圆筒壁
q
t1
tn1
i
i i
l
t1 t2 1 ln d2
2 d1
4) n层圆筒壁
l
tw1 tw(n1) n 1 ln di1
i1 2i di
18
3.3 对流换热 1. 对流换热定义: 流体与相互接触的固体表面之间的热量传递。