郑州轻工业大学[INT COMMUN HEAT MASS]窄矩形通道内超临界CO2热工水力特性数值研究

[简介]

超临界二氧化碳（SCO₂）因换热效率高、系统紧凑、环境友好，成为第四代核反应堆与紧凑型高效换热系统的理想工质。窄矩形通道（NRC）结构紧凑、换热面积大，广泛应用于板状燃料组件、紧凑式换热器及微电子散热。目前针对水在窄矩形通道内的两相沸腾研究较多，而SCO₂在窄矩形通道内的对流换热与热工水力规律研究仍较为匮乏。本文采用CFD数值方法，基于SST k-ω湍流模型，系统研究入口温度、质量流速、操作压力、热流密度、加热方式等热工参数，以及通道形状、窄缝尺寸等结构参数对SCO₂流动换热特性的影响，评估综合换热性能，并建立适用于窄矩形通道的高精度传热关联式，为SCO₂在核反应堆冷却及紧凑换热器中的工程设计与安全运行提供理论依据。

[全文链接]

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.108654

[背景]

板式燃料组件由平行的燃料板和狭窄的矩形冷却剂通道组成，具有较高的堆芯功率密度，广泛应用于小型核反应堆。窄矩形通道（NRC）因其紧凑的结构和高热效率，也应用于紧凑型热交换器和微电子。超临界二氧化碳（SCO₂）是一种环保介质，因其高热效率和紧凑的设备尺寸而用于热能转换系统。这使得它特别适合紧凑型系统，并在第四代核反应堆发电领域提供了有前景的机会。结合NRC和SCO₂的优点，SCO₂可以应用于NRC，以实现更高的传热效率。这种方法也为紧凑型传热设备的研究提供了一种有效的解决方案。

板式燃料组件由平行排列的燃料板和窄矩形冷却剂通道组成，具有较高的堆芯功率密度，广泛应用于小型核反应堆。窄矩形通道（NRC）因其结构紧凑、热效率高，也被应用于紧凑型换热器和微电子学领域。超临界二氧化碳（SCO₂）是一种环保介质，因其热效率高且设备体积小，被广泛应用于热力系统。这使其特别适合紧凑型热力系统，并在第四代核反应堆发电领域展现出广阔的前景。结合NRC和SCO₂的优势，可在NRC中应用SCO₂以实现更高的传热效率。这种方法也为紧凑型传热设备相关研究提供了有效的解决方案。

然而，目前对SCO₂的对流换热研究尚少。因此，开展NRC内SCO₂传热研究至关重要。本文旨在阐明NCR中SCO₂的热工水力特性，分析了热工参数和通道尺寸对热工水力的影响。最后，考虑浮力效应和横截面尺寸，开发了NRC中SCO₂的传热关联式。这项工作的发现可以为气冷反应堆和高效紧凑型换热器的热工水力设计和优化提供有价值的支撑和指导。

[图文]

图1. SCO₂在不同压力下的热物理性质

图2. 板式燃料组件和窄矩形通道几何结构

图3. 不同入口温度下的速度变化

图4. 不同质量流量下壁温和HTC的变化

图5. 不同质量流量的TKE分布

图6. y轴上的速度变化

图7. 单侧和双侧加热的壁温和HTC

图8. h/∆P随热工参数和加热方式变化

图9. 不同通道中的传热系数

图10. 不同通道的传热系数和传热面积

图11. 不同间隙尺寸下壁温和HTC

图12. 不同间隙尺寸下HTC、∆P和h/∆P

图13. 现存关联式和修正后关联式对比

[结论]

(1) 传热系数和比热呈现出相似的变化趋势，在略低于T_pc的T_b处达到峰值。通过增加质量通量或降低热通量，可以改善传热效果。然而，较高的热通量与质量通量之比(q/G)会导致流速分布呈“M”形，从而恶化传热效果。此外，降低工作压力不仅能提高流速，还能改善SCO₂中的传热效果。

(2) 在低热流密度下，单面加热与双面加热的壁面温度几乎相同。但在高热流密度下，双面加热的壁面温度显著高于单面加热。传热系数也呈现类似趋势。

(3) 综合性能指标h/∆P随质量流速和操作压力的增加而呈上升趋势。在计算范围内，h/∆P随入口温度升高先升后降。具体而言，当P=8 MPa 时，T_in从300 K升至320 K，h/∆P下降了85%。此外，单面加热的h/∆P大于双面加热，且两者均随热流增加而降低。

(4) 在水平流动条件下，由于浮力效应，圆形和半圆形通道顶部均出现了传热恶化（HTD）。NRC能够有效抑制顶部的HTD。NRC的h/∆P值略低于圆形通道，但传热面积却大了一个数量级。

(5) 随着狭缝尺寸的增大，SCO₂的热传导系数(HTC)呈下降趋势。较小的狭缝尺寸虽能增强传热效果，但也导致压降增加。

(6) 建立了NRC中SCO₂的传热关联方程，其准确度为±10%。该方程可用于预测NRC中SCO₂向上流动的传热特性。

团队介绍

团队对超临界CO₂流动传热和颗粒物沉积开展了深入研究，取得了一些成果：

(1)超临界CO₂流动传热：

[1]Shang Mao, Xuehong Wu*, Leigang Zhang, Yanling Wang, Tao Zhou, Shenghui Liu. Numerical investigation thermal-hydraulic performance of supercritical CO₂ in narrow rectangular channels[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2025, 162, 108654.

[2]Shang Mao, Shengli Zhang, Xuehong Wu*, Yong Liu, Leigang Zhang, Cai Lv, Tao Zhou, Songzhen Tang. Performance of convective heat transfer of supercritical CO₂ in unilaterally heated rectangular channel[J]. Journal of Supercritical Fluids, 2026, 232, 106895.

[3]Shang Mao, Deshu Liu, Qing Guo, Dehua Yu, Xuehong Wu*, Yong Liu,Ming Guo, Tao Zhou*. Effects of aspect ratio on turbulent flow and heat transfer of supercritical CO₂: a numerical investigation[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2026, 227, 110936.

[4]Shang Mao*, Tao Zhou*, Dong Wei, Wenbin Liu, Chunhui Xue. Numerical investigation on flow and thermal performance of supercritical CO₂ in a horizontal ribbed tube[J]. Journal of Supercritical Fluids, 2022, 187, 105644.

[5]毛赏, 王洪斌, 吴学红, 周涛, 刘生晖. 波纹窄矩形通道内超临界二氧化碳流动传热数值研究[J/OL].核动力工程,1-10.

[6]毛赏, 刘得赎, 郭庆, 吴学红, 王燕令, 刘勇, 周涛. 超临界CO₂在正弦肋窄矩形通道内流动传热数值研究[J/OL].原子能科学技术,1-10.

(2)超临界CO₂流动传热耦合颗粒沉积：

[1]Shang Mao, Yong Liu, Xuehong Wu*, Leigang Zhang, Ming Guo, Min Zhao. Study of particle deposition of supercritical carbon dioxide in narrow rectangular heat exchange channel[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2025, 169, 109939.

[2]Shang Mao*, Tao Zhou*, Wenbin Liu, Cheng Hu, Peng Xu. Study on particle deposition performance in liquid lead-bismuth eutectic and supercritical CO₂ heat exchanger[J]. Energy, 2023, 285, 129381.

[3]Shang Mao*, Tao Zhou*, Yixiang Liao, Jianyu Tang, Xiaofang Liu. Thermal-hydraulic and particle deposition analysis of supercritical CO₂ in different tubes[J]. Powder Technology, 2023, 413, 118076.

[4]毛赏，周涛*，卢怀畅. 超临界CO₂在不同肋管中颗粒物沉积特性[J].东南大学学报(自然科学版),2022,52(06):1114-1121.

郑州轻工业大学团队

团队负责人为吴学红教授，博士，博士生导师，郑州轻工业大学能源与动力工程学院院长。主要从能源利用、储能技术、制冷与低温设备节能技术、强化传热与传质等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目2项，中原科技创新人才项目、河南省杰出青年基金项目、教育部重点项目、河南省重点研发专项、河南省科技项目等10余项，参与国家自然科学基金项目2项，省部级项目10余项，主持企业研发课题10余项；发表论文150多篇。获得中国商业联合会科学技术进步特等奖1项，河南省科技进步二等奖2项、三等奖2项。

第一作者毛赏，讲师，博士，博士后，硕士生导师，主要从事反应堆热工水力与安全、超临界CO₂高效紧凑换热器、细颗粒物运动沉积、相变储能及制冷系统优化等方面的研究。主持国家资助博士后研究人员计划C档1项、河南省高等学校重点科研项目1项；参与国家重点研发项目1项、河南省重点研发计划1项、企业横向课题3项、参编专著2部；以第一作者发表SCI/EI论文20余篇，申请专利3项。

东南大学核热工安全与标准化团队

团队负责人为周涛教授，博导，教育部核科学类教学指导委员会委员，核工业教育协会副理事长兼常务理事，国家能源局核电专家，中国核学会安全分会严重事故委员会副理事长，中国核学会射线分会常务理事、热工流体安全分会理事，东南大学国家核学科一流专业建设点和江苏省品牌专业负责人，主要研究方向为核热工与安全、细颗粒运动沉积及核素扩散。获得省部级科研奖励3项；教育教学课题奖、教学优秀奖、论文奖和奖教金等。