Abstract Gas-cooled space nuclear-reactor systems generally adopt the helium–xenon mixture (He–Xe) as a working fluid and coolant, the Prandtl number (Pr) of which is low for recommended mixing ratios. Many studies have shown that the turbulent Pr (Prt) is not constant and that it is greater than 0.85 for low-Pr fluids. However, the Prt in the Reynolds-averaged Navier–Stokes model is generally set to 0.85 by default, which inevitably results in large prediction errors with respect to the flow and heat transfer of low-Pr He–Xe. In this paper, the Prt model of He–Xe is examined using theoretical analysis and numerical simulations. Based on the existing models applicable to liquid metals, the spatial distribution of the Prt model is modified. The Prt of turbulent core region is expressed as a function form, in which the local Reynolds number (Re) is introduced to characterize the trend of Prt in the near-wall region. With the undetermined coefficients obtained using numerical simulation, a new modified Prt model for low-Pr He–Xe is proposed. The results suggest that the new model can better reflect changes in Prt with Re, Pr, and the distance from the wall. The numerical predictions of Prt distribution at different radial positions are consistent with the analytical results, especially the distribution of the near-wall region. For the convective heat transfer simulation, the new Prt model has optimal numerical accuracy. In the future, the proposed Prt model can be used to further study the flow and heat transfer characteristics of He–Xe.

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低普朗特数氦氙混合气的修正湍流普朗特数模型

摘要 气冷空间核反应堆系统一般采用氦氙混合气（He-Xe）作为工作流体和冷却剂，其普朗特数（Pr）在推荐混合比下较低。许多研究表明，湍流 Pr (Prt) 不是常数，对于低 Pr 流体，它大于 0.85。然而，雷诺平均 Navier-Stokes 模型中的 Prt 通常默认设置为 0.85，这不可避免地导致对低 Pr He-Xe 的流动和传热的较大预测误差。在本文中，使用理论分析和数值模拟检查了 He-Xe 的 Prt 模型。在现有适用于液态金属的模型的基础上，修改了 Prt 模型的空间分布。湍流核心区的 Prt 表示为函数形式，其中引入局部雷诺数（Re）来表征近壁区域中 Prt 的趋势。利用数值模拟获得的未确定系数，提出了一种新的低Pr He-Xe 改进Prt 模型。结果表明，新模型可以更好地反映 Prt 随 Re、Pr ​​和与墙的距离的变化。不同径向位置的Prt分布数值预测与解析结果一致，尤其是近壁区分布。对于对流传热模拟，新的 Prt 模型具有最佳的数值精度。将来，所提出的 Prt 模型可用于进一步研究 He-Xe 的流动和传热特性。利用数值模拟获得的未确定系数，提出了一种新的低Pr He-Xe 改进Prt 模型。结果表明，新模型可以更好地反映 Prt 随 Re、Pr ​​和与墙的距离的变化。不同径向位置的Prt分布数值预测与解析结果一致，尤其是近壁区分布。对于对流传热模拟，新的 Prt 模型具有最佳的数值精度。将来，所提出的 Prt 模型可用于进一步研究 He-Xe 的流动和传热特性。利用数值模拟获得的未确定系数，提出了一种新的低Pr He-Xe 改进Prt 模型。结果表明，新模型可以更好地反映 Prt 随 Re、Pr ​​和与墙的距离的变化。不同径向位置的Prt分布数值预测与解析结果一致，尤其是近壁区分布。对于对流传热模拟，新的 Prt 模型具有最佳的数值精度。将来，所提出的 Prt 模型可用于进一步研究 He-Xe 的流动和传热特性。不同径向位置的Prt分布数值预测与解析结果一致，尤其是近壁区分布。对于对流传热模拟，新的 Prt 模型具有最佳的数值精度。将来，所提出的 Prt 模型可用于进一步研究 He-Xe 的流动和传热特性。不同径向位置的Prt分布数值预测与解析结果一致，尤其是近壁区分布。对于对流传热模拟，新的 Prt 模型具有最佳的数值精度。将来，所提出的 Prt 模型可用于进一步研究 He-Xe 的流动和传热特性。