摘要
印刷电路板式换热器（PCHE）具有体积小、结构紧凑、换热效率高和耐高温高压等优点，在核工业领域有着广阔的应用前景。因而深入开展其内部的流动传热机理、力学特性和性能优化等方面的研究，对于PCHE的优化设计与工程应用具有重要的指导意义。本文针对翼型翅PCHE的流动传热特性及力学性能开展了系统性的研究，分别对翅片布置方式、流道结构参数、翅片特征参数及板片结构参数进行了优化，并针对应力集中问题提出了一种新型间断式翼型翅PCHE，最终获取了安全性、经济性与高效性并存的翼型翅PCHE最佳结构形式，论文的主要工作及结果如下： ①采用数值模拟的手段对不同入口雷诺数下的空流道PCHE和翼型翅PCHE进行对比研究，揭示了二者间的流动传热特性差异，并探明了PCHE内部的等效应力分布规律。结果表明，翼型翅PCHE的换热性能明显优于空流道PCHE，且在机械应力的主要影响下，翼型翅PCHE在翅片尖端位置产生了严重的应力集中现象。 ②以非对称翼型翅PCHE为研究对象，从不同角度评估了翅片拱度对综合换热性能的影响，并结合（火积）耗散原理，揭示了翅片布置方向和攻角方向对换热器流动传热特性与场协同性的影响规律。结果表明，非对称翼型翅PCHE相比于对称翼型翅PCHE具有更佳的换热性能，并且非对称翼型翅PCHE等泵功下的综合换热性能随拱度的变大而逐渐提升；而将较大拱度的翼型翅同向、正攻角布置可显著提升PCHE的综合换热性能。 ③以提升PCHE等泵功下的综合换热性能为目标，分析了翅片的横向间距、交错间距及来流攻角等流道结构参数对翼型翅PCHE流动传热特性的影响。研究表明，减小横向间距、增大交错间距和增大攻角可显著提升PCHE的换热性能，并基于流道结构无量纲参数，获得了用于预测平均Nu数和平均f因子的无量纲经验关联式，其适用范围为2000≤Re≤10000和0.5≤Pr≤0.8。 ④为解决翼型翅尖端的应力集中现象，提出了一种新型间断式翼型翅PCHE，并就间断式PCHE与传统闭合式PCHE的换热性能与力学性能开展了数值对比研究，分析了翅片高度、流道高度和板片厚度等板片结构参数对流动传热特性和力学性能的影响。结果表明，间断式PCHE相比于闭合式PCHE在明显改善翅片尖端应力集中现象的同时，将综合换热性能提升至传统闭合式PCHE的117.8%；且在本文的考察范围内，存在可兼顾安全性、经济性与高效性的PCHE最佳结构形式，其所对应的无量纲几何参数ξc、ξf、ξh、ξv和ξα取值分别为0.65、0.75、3、1和1.269。
NETL