熔融盐混合对流换热特性的理论和实验研究

混合对流换热是流体在内部力（体积力）和外部力（表面力）以及温度场共同作用下的一种复杂对流换热现象，在许多工质的某些特殊工况条件下混合对流换热是最主要的热量传递方式，如核反应堆中气体、高温高速燃气以及显热蓄热高温熔融盐的对流传热都是以混合对流换热的方式进行。本项目将以高温熔融盐的混合对流换热为研究背景，从理论上总结推导出适用于描述熔融盐混合对流换热的无量纲传热关联式，通过数值模拟对复杂的混合对流换热机理进行描述，并首次通过实验测量垂直和水平管道内熔融盐混合对流换热的相关数据，根据实验数据对混合对流换热关联式进行论证和校核。申请单位在国内外首次提出了混合对流换热是大温差、低流速的熔盐显热蓄热的主要热量传递方式，对熔盐的配比、高温热物性测量做了大量工作，同时也对熔盐传热蓄热进行了五年多的基础研究，并首次实验测定和关联了熔盐强迫对流的传热系数，为本项目研究工作的开展打下了坚实的基础。

本课题在国家自然科学基金青年基金项目和国家“973”项目支持下，利用数值模拟和实验方法研究了熔盐在水平方管内单面加热时的混合对流传热过程。研究了水平方管内熔盐混合对流与管壁导热耦合的传热过程，分析了水平方管内底面、侧面及顶面加热时熔融盐混合对流的流动和传热特性等。结果表明，非均匀加热壁面时，由于存在管壁导热影响和浮升力效应使得主流核心区的形状随着流动距离的增加而发生变化，且核心区位置靠近加热壁面；针对不同的加热位置，各通道横截面上所形成的二次涡流数量也不尽相同，这些不同程度的涡流的存在使得传热能力得到强化；通过混合对流判定准则确定数值模拟数据处于湍流混合对流区，数值模拟点与湍流混合对流传热关联式的吻合度较高，且整体上Nu侧面>Nu底面>Nu顶面。与不考虑管壁导热数值模拟结果相比，主流核心区形状更加均匀，局部Nux更大，且局部Nux回升的位置提前。在原有熔盐强迫对流传热实验的基础上对混合对流传热实验进行了改造。试图通过采用康铜膜及定制加热器作为加热元件来进行实验，虽未获得成功，但对失败原因进行了仔细分析，并积累了一些经验且有助于后期定制试验方案时避免此类问题的出现，目前利用纯铜薄板加热方管进行新一轮实验。