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5×5棒束通道中简单支撑格架对流动过冷沸腾传热的影响分析
一、引言
在核反应堆、航空航天等工程领域中，过冷沸腾现象是一个重要问题。过冷沸腾指的是在两相混合物处于亚冷态时突然发生的沸腾现象，可以显著提高换热系数、降低冷却剂温度。近年来，由于材料制造技术的进步和热沉设计的不断优化，借助于组件的结构优化，使其催化过冷沸腾现象，有效地提高了整个工程领域的热传递效率。在这些技术中，简单支撑格架作为一种重要的结构元素，因其高强度、刚性、优异的耐腐蚀性和良好的几何适应性，在工程上得到了广泛应用。
本文主要通过数值实验模拟和实验数据对比，并结合理论模型的分析，探究在5×5棒束通道中添加简单支撑格架对湍流流动过冷沸腾传热的影响。文章主要分为以下几个部分：
二、简单支撑格架结构特点
简单支撑格架结构是由截面为L型的薄壁钢材制成，其框架由框架柱、框架梁和框架额板组成，如图1所示。
图1简单支撑格架结构图
其中，框架柱主要作为支撑和连接结构，框架梁则起到连接支柱和稳定结构的作用，框架额板则可以有效地防止气体、液体等工质沿着管道进入工程中。简单支撑格架具有刚性高、制造方便、优良的耐腐蚀性等优点，因此广泛应用于5×5棒束通道等核工程领域。
三、过冷沸腾的现象及机理
过冷沸腾是指在介质温度低于其饱和温度但高于冰点的条件下，当介质温度发生细微波动时，便会在某些区域形成稳定的气泡。这些气泡在沸腾时会充满蒸汽，然后滞留在固液界面。气泡的膨胀和收缩就会引起固液相界面的震荡，进而会产生液面输送和其他复杂的传热现象。
传热实验研究表明，沸腾传热系数与气泡数目和气泡尺寸都是相关的。当气泡数目和气泡尺寸增加时，相应的传热系数也会增加，这是因为气泡膨胀和破裂能够对液体产生扰动，进而促进温度的传播。当气泡被固液相界面吸附着时，它的压力会随着时间推移而上升，气泡的直径会增加，因此在气泡达到某一大小时，气泡爆炸会导致局部热交换系数的急剧变化。
四、数值模拟实验研究
本研究针对5×5棒束通道，采用Fluent软件进行了数值模拟实验，通过加入简单支撑格架，对湍流流动过冷沸腾传热的影响进行了探究。下面分别从模型和网格划分、边界条件设置、流体运动计算和传热传质计算等几个方面进行介绍。
1.模型和网格划分
模型几何构建采用SolidWorks建模软件完成，建立了5×5棒束通道及简单支撑格架3D模型。在划分网格时，采用六面体网格，总网格数约为320万个，如图2所示。
图2网格划分示意图
2.边界条件设置
本研究中，入口边界条件设为对流入口，出口边界条件则设为压力出口。在瞬态过程模拟中，入口流量和质量流量都需随时监测并修改。同时，针对简单支撑格架的影响，通过调整网格划分，将格架相应的位置进行特定的速度约束，保证其稳定性和位置的精准控制。
3.流体运动计算
数值模拟模型构建、网格划分及边界条件设置完毕后，采用计算流体力学方法，通过Fluent求解器对问题进行仿真求解。计算步骤：设定物理模型，对控制方程进行离散化、求解，迭代求解过程，直到达到稳态或瞬态解。求解后，采用Post处理软件对压力、速度等流场变量进行后处理，进行计算结果分析。
4.传热传质计算
对于过冷沸腾问题的研究，传热传质计算是非常重要的一个方面。本研究中，主要选取插入管流量法，通过测量温度场在水冷管中的变化来计算传热系数，并绘制出相应的传热系数对时间、壁面温度、插入管长度等的变化曲线，如图3所示。
图3传热系数曲线图
五、实验研究结果
通过数值模拟实验和实验数据对比分析，本研究得出以下结论：
1.简单支撑格架的存在会使管道中的流动形态发生变化，流场分布更加均匀，产生更多的当前行和涡旋，因此传热系数会随之增加。
2.在相同的工况下，简单支撑格架对传热系数的影响大小与其位置有关。当格架紧贴小棒间距时，传热系数效果更加显著，当格架位置离棒间距较远时，其对流动过冷沸腾传热效果的影响较小。
3.简单支撑格架对环空处的热传输效果没有明显的影响。
六、结论
通过本文的数值模拟实验和实验数据对比分析，得出了如下结论：
1.简单支撑格架能够促进湍流流动过冷沸腾传热的效果。
2.该影响大小与格架位置相关，缩小小棒间距与格架位置紧贴时效果更为明显。
3.简单支撑格架对环空处的热传输效果影响不明显。
总之，通过研究简单支撑格架对流动过冷沸腾传热的影响，不仅增加了对相应传热机制的认识，还为实际工程应用提供了有效的理论和方法。在今后的相关研究中，我们可以加强对简单支撑格架设计的优化、对过冷沸腾原理的更深层次挖掘及对热传输机制的更细致分析等方面的研究。