本文献是美国核学会（Transactions of the American Nuclear Society）第111卷（2014年11月9-13日，于加利福尼亚州阿纳海姆出版）中的一篇学术会议论文，题为“钠冷快堆系统换热器中传热传质的计算流体动力学（CFD）建模”。论文的主要作者是Emre Tatli, Milorad B. Dzodzo, Paolo Ferroni，所属机构为西屋电气有限责任公司（Westinghouse Electric Company LLC）。本文属于类型a，即报告一项单一原创性研究的学术论文。

研究作者、机构及发表信息

本研究由Emre Tatli、Milorad B. Dzodzo和Paolo Ferroni三位研究人员完成，他们均来自西屋电气有限责任公司。研究论文发表在2014年美国核学会的冬季会议上，收录于Transactions of the American Nuclear Society第111卷。

研究的学术背景

本研究隶属于核工程领域，具体聚焦于第四代钠冷快堆（SFR, Sodium-cooled Fast Reactor）系统的热工水力安全分析。钠因其高热导率和低压力下的高沸点，被选作第四代反应堆的冷却剂。然而，在SFR运行中，若氧气意外进入主钠回路，同时用于捕获杂质的冷阱失效，氧气可能在冷却剂中输运并到达换热器（HX）。当换热器表面温度低于氧在钠中的溶解度温度时，会发生氧化钠（Na₂O）沉淀，沉积在换热器通道的冷表面上。这种现象会导致传热性能下降，严重时可能导致通道堵塞（plugging）。这对于通道截面较小的换热器（如印刷电路板式换热器PCHE或通道直径小于6毫米的小通道换热器）尤其令人担忧，这类换热器正是SFR系统中计划用于超临界二氧化碳（sCO₂）布雷顿循环的关键部件。

该研究的直接目标是开发一种基于计算流体动力学（CFD）的方法论，用于预测Na₂O在换热器通道内的沉积速率，并最终估算通道的堵塞时间。这一研究是美国能源部资助项目“钠冷快堆系统换热器中钠堵塞的建模与验证”的核心部分。该项目由西屋电气公司牵头，并与阿贡国家实验室（ANL）合作进行。论文旨在总结该项目的整体框架、当前CFD建模工作的进展状态以及未来的研究计划。

详细的研究流程

本项目并非传统意义上的单次实验研究，而是一个综合性的研究项目，其工作流程包含建模、验证和未来应用等多个相互关联的阶段。论文详细阐述了当前已完成的初步CFD建模工作以及后续的详细验证计划。

1. 前期工作与项目意义 项目建立在前期研究基础之上。论文引用了Sienicki等人的工作，他们提出了基于第一性原理（氧气在钠冷却剂与沉积物之间的传质）的Na₂O沉积起始和生长模型，该模型得到了阿贡国家实验室钠堵塞现象回路（SPPL）设施实验数据的支持。Sienicki的模型引入了沉积物孔隙度的概念，但假设孔隙度为恒定值，而未能基于流体/壁面性质和Na₂O结晶现象的内在特征进行计算。此外，SPPL设施在运行后难以对沉积固体进行可视化检查，因为打开设施会导致快速氧化。这些局限为当前项目提供了改进机会。本项目计划采用新颖的非侵入式实验技术来测量沉积物特性，并收集新的数据用于CFD模型验证，以期实现对沉积现象更精确的模拟。项目分工明确：西屋电气公司负责CFD建模工作，阿贡国家实验室负责实验测试。

2. 实验设施描述 用于验证CFD模型的实验设施是阿贡国家实验室的钠堵塞现象回路（SPPL）。该设施是一个钠循环回路，通过向流动中添加Na₂O颗粒并降低测试段温度至氧溶解度值以下，从而在测试段内诱导Na₂O沉积。测试段包含小直径（原始配置为2、4或6毫米）的半圆形通道。论文指出，该回路正在进行升级，升级完成后收集的实验数据将用于验证相应的CFD模型。图1展示了SPPL设施，并用红色轮廓标出了当前CFD建模所关注的区域。

3. 初步工作：试运行 尽管SPPL设施最终运行的实验参数（如流量、温度）尚未完全确定，但为了理解入口流动结构、确定边界层网格尺寸、评估边界条件等，研究团队基于SPPL装置的一部分（如图2所示）建立了CFD模型进行“试运行”。这次运行使用了基于先前SPL测试范围的预期设置和输入参数。 * CFD工具与设置： 分析使用ANSYS CFX v14.5.7作为前/后处理器和求解器，使用TrueGrid v2.3.2和ANSYS ICEM CFD v12.1作为计算网格生成器。CFD计算域包括测试段以及回路上游和下游的部分区域。 * 几何与材料： 测试段由不锈钢制成，包含三个内径为6毫米的半圆形截面通道（图2详图）。建模了钠和不锈钢测试段壁面之间的共轭传热。 * 边界条件与属性： 边界条件基于文献信息设定，包括入口钠温度、质量流量、测试段外表面的预期传热系数（层流和湍流情况分别设为2 W/m²K和100 W/m²K）以及周围空气温度（15°C）。采用了SST k-ω湍流模型并启用自动壁面处理功能。物性方面，基于入口钠温度220°C，使用了从文献中获取的恒定钠和不锈钢属性。 * 工况设计： 选择了覆盖SPPL可能流量范围的两种典型工况进行模拟：层流（雷诺数Re≈1000，佩克莱特数Pe≈7）和完全湍流（Re≈11000，Pe≈80）。此外，为了确定模拟结果对湍流普朗特数（Prt）的依赖性，针对完全湍流工况进行了敏感性研究，比较了Prt=0.9（CFX默认值）、4.12和5.6三种情况。论文中展示的图3、4、5的结果是针对层流工况的。

4. 当前工作：单相验证 在初步试运行之后，项目进入系统性的验证阶段。论文指出，需要一个基准测试套件来验证建模方法，包括针对不同流态（层流、过渡流和湍流）的网格划分和模型设置。项目计划通过以下三个阶段进行验证： 1. 稳态无堵塞条件下的CFD模型验证。 2. 瞬态无堵塞条件下的CFD模型验证。 3. 堵塞条件下的CFD模型验证。 当前阶段（第一阶段）的验证重点在于图3所示的入口区域，该区域位于测试段（即发生堵塞的区域）的入口，对其热工水力学的精确建模至关重要。这第一步验证将利用现有的钠热工水力学文献数据来进行。

验证工作始于评估可用于液态金属在管道内传热的现有经验关系式。论文指出，用于构建这些关系式的实验数据存在显著分散性，这被认为是由于表面润湿性、可能的气体夹带、氧化、污染和混合对流效应等方面的差异造成的。此外，CFD建模还面临来自SPPL独特运行条件的挑战： * 流动状态复杂： SPPL中的流动总体上层流，但在测试段入口存在湍流（如图3所示），流动在下游测试段会转回层流。因此需要特别注意湍流模型的选择和网格的划分。 * 低佩克莱特数： 回路中的Pe数低至10-100量级。文献中在此低Pe范围内的数据点很少，在这些条件下热传导可能起重要作用。 * 浮力效应显著： 低雷诺数流动中浮力效应会被放大。 CFD建模需要充分考虑这些因素。目前正在构建的广泛验证套件正是为了实现这一目的。在其初始阶段，验证重点放在阶梯收缩管道和阶梯收缩平行板上，这些几何被认为是表征SPPL水力学特性的可接受代表。

主要研究结果

论文作为项目进展报告，主要展示了初步CFD试运行的结果，并为后续验证工作奠定了基础，并未呈现完整的最终沉积或堵塞预测结果。

1. 试运行CFD结果： * 入口流动结构（图3）： CFD模拟成功捕捉了连接管道与测试段的过渡件中的流动结构，显示了测试段通道入口前即时的流线分布，证实了即使在层流工况下，入口区域也存在复杂的流动结构。 * 温度场分布（图4、5）： 模拟结果显示钠和固体壁面沿测试段长度方向在均匀间隔的横截面上的温度变化。图4展示了整个测试段长度上的温度等值线图。图5对图4中的部分截面（第二、第五、第七平面）进行了特写，清晰显示了由于通过换热器壁面的冷却作用，通道内温度的变化情况。这些温度分布信息至关重要，因为当应用沉积模型时，温度较低的表面将首先受到Na₂O沉积的影响。 * 湍流普朗特数敏感性： 初步的敏感性研究表明，对于液态金属，湍流普朗特数的选择对模拟结果有影响，其值预计大于常用于水和空气的0.9。这为后续精确建模提供了重要参数考量。

2. 项目当前状态与未来方向： 论文明确了项目当前处于单相热工水力学验证的初期阶段。这意味着，在引入复杂的Na₂O沉积和生长现象模型之前，必须首先准确捕捉单相钠流动的热工水力学行为。为此，研究团队正在构建一个广泛的验证测试矩阵，其重要考量因素已在论文中阐述。这些初步结果和验证框架构成了项目后续深入研究（如沉积模型开发与耦合）的基础。验证结果将在未来的出版物中呈现。

研究结论

本研究（项目）的最终目标是利用CFD预测Na₂O沉积速率，进而估算小通道钠换热器的堵塞时间。论文总结了该项目，报告了其CFD建模的当前状态和未来计划。

项目的核心结论是：在转向更复杂的沉积和生长现象模拟之前，建立一个广泛的验证测试矩阵对于精确捕捉单相钠热工水力学至关重要。论文强调了在构建该矩阵时需要考虑的几个关键挑战，包括SPPL中复杂的流动状态（入口湍流下游层流）、极低的佩克莱特数（10-100量级）以及低雷诺数下被放大的浮力效应。成功应对这些挑战的CFD模型，将为后续预测堵塞时间、评估SFR系统（特别是采用sCO₂布雷顿循环和小通道换热器的系统）的安全性与可靠性提供强大的分析工具。

研究亮点

1. 问题导向明确，工程意义重大： 研究直指第四代钠冷快堆系统安全运行中的一个潜在关键技术风险——换热器小通道的钠氧化物堵塞问题，其研究成果对保障先进反应堆的安全性和经济性具有直接应用价值。
2. 方法论先进且系统： 研究采用高保真的计算流体动力学（CFD）方法，并计划与先进的实验测量技术（非侵入式）相结合，体现了数值模拟与实验验证紧密结合的现代工程研究方法论。
3. 研究路径清晰严谨： 项目没有急于求成地直接模拟复杂的多相沉积现象，而是遵循了从简到繁、逐步验证的科学路径。首先聚焦于单相流动和传热这一基础问题的精确模拟与验证，为后续引入化学反应和沉积模型打下坚实可靠的基础。
4. 挑战识别精准： 论文不仅展示了初步结果，更深入地分析了液态金属、特别是钠在特殊工况（低Pe数、低Re数、混合流态）下CFD模拟所面临的具体挑战，为整个领域的研究提供了有价值的洞见。
5. 协同创新模式： 项目由工业界（西屋电气）主导建模，与国家实验室（阿贡）的实验能力形成优势互补，是产学研协同解决复杂工程问题的典型案例。

其他有价值内容

论文脚注部分解释了为什么SFR系统倾向于使用PCHE或小通道换热器：从传热角度看，超临界二氧化碳表现出类似气体的行为，若需传递大量热量则需要很大的传热面积。使用传统的壳管式换热器会导致部件体积庞大，而PCHE和小通道换热器具有单位体积内巨大的传热面积，并且能够承受钠-sCO₂系统的高压差，因此是此类应用的理想候选。

论文还包含致谢部分，声明了该项目由美国能源部核能办公室资助（奖励编号DE-NE0000611），并提供了详细的参考文献列表，涵盖了相关领域的实验研究、CFD软件、物性数据及理论模型，为读者深入了解该课题提供了丰富的资源线索。