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扭曲螺旋管流动换热特性数值模拟研究

摘要

为了满足反应堆小型化、一体化的需求，需要蒸汽发生器的体积和结构设计要更加

紧凑，传热效率更加高效。提升传热管的传热效率以及减小工质在管道和设备内流动时

产生的阻力对反应堆小型化尤为重要。扭曲螺旋管的几何结构能够更好地提高流体流动

的湍流程度从而改善其流动和传热性能。本研究使用计算流体力学软件对扭曲螺旋管管

内沸腾换热以及管束区对流换热进行了数值模拟研究，与传统螺旋管进行了对比分析，

后续又获得了不同结构参数下的管内两相和管束区单相的流动换热特性。最后通过神经

网络的方法对管束区的努塞尔数和阻力系数进行预测。

本研究首先针对扭曲螺旋管内流动沸腾现象，基于欧拉两流体模型，考虑了两相间

质量、动量和能量传递，并耦合壁面沸腾模型建立了沸腾换热数值分析模型，并采用螺

旋管管内流动沸腾实验对其进行了验证。之后，建立了螺旋管以及不同结构参数的扭曲

螺旋管几何模型，探究了管内流动沸腾换热特性及差异。研究结果表明，扭曲螺旋管管

内流动更为复杂，其换热性能优于传统螺旋管，且在沸腾区域更加明显。结构参数会影

A/B

响轴向和周向的温度、汽相份额以及换热系数。长短轴之比（）主要影响沸腾区域

A/BR

换热，换热系数随的增大而增加；螺旋半径（）主要影响单相区域换热，换热系

RNN

数随的增大而减小；扭转周期（）对换热影响最微弱，换热系数随的增加而稍有

增大。

其次，采用扭曲管管束对流换热实验验证了管外管束区流动传热数值模拟方法的可

行性。之后，建立了不同结构参数的螺旋管和扭曲螺旋管管束几何模型，对比分析了二

者的流动换热特性，并探究了结构参数对管束区流动换热特性的影响规律。研究结果表

明，扭曲螺旋管管束区流动复杂，流体横掠管束区时由于管道自身的螺旋扭转使流体产

NuEu

生了纵掠方向的流动。扭曲螺旋管管束区努塞尔数（）和阻力系数（）均小于螺旋

1

管，强化传热综合评价大于，并随螺距和横向管间距的减小而增大。扭曲螺旋管管束

NuEuPStN

区和变化趋势相同，随着螺距（）、横向管间距（）和扭转周期（）的增大

A/B

而增加；随着长短轴之比（）的增大而减小。

NuEu

最后，以扭曲螺旋管管束区复杂结构特征为特征值，以管束区和为目标值，

NuEuBP

基于机器学习方法构建了不同结构参数的扭曲螺旋管管束区和的神经网络模

型。研究结果表明，神经网络模型预测结果与实际值具有很好的一致性，努塞尔数与实

5%10%

际值的误差在以内，阻力系数与实际值的误差在以内。该模型可以为后续扭曲

哈尔滨工程大学硕士学位论文

螺旋管研究提供可靠支撑。

关键词：扭曲螺旋管；蒸汽发生器；流动换热；管束；人工神经网络

扭曲螺旋管流动换热特性数值模拟研究

Abstract

Inordertomeetthedemandsofminiaturization