381-超临界压力下管内层流流动与传热特性的数值模拟.pdfVIP

超临界压力下管内层流流动与传热特性的 数值模拟 1 2 陈玮玮 ，鹿世化 ，王瑜 1,* 南京师范大学 能源与机械工程学院，南京 210042） 南京工业大学 城市建设学院，南京210009） (Tel: 025 Email: chenweiwei@njnu.edu.cn) 摘 要：基于可压缩流体的守恒方程，考虑超临界压力流体的热物性参数以及流动的 可压缩和浮升力效应，对均匀热流密度加热管内层流的流动与传热特性进行数值模拟，结 果表明：主流速度沿流动方向逐渐增大，径向形成“M”型速度分布；主流温度和壁面温度 沿流动方向逐渐增大，在拟临界区域增速变缓；传热系数沿流动方向逐渐增大，在拟临界 区域达到峰值。这是由于热物性参数的剧变导致自然对流作用增强，使超临界层流形成奇 异的流动与传热特性。 关键词：超临界；层流；自然对流；传热系数；数值模拟。 0 前言 超临界压力流体特殊的流动与传热特性在动力工程、核电、暖通空调、低温超导和航 空航天等技术领域得到了广泛的应用。尽管现有关于超临界压力流体流动与传热特性的研 究绝大多数都是针对管内湍流，但在某些技术领域或工况条件下，如以超临界CO2 为工质 的紧凑式气体冷却器，在小管径、低流速情况下，管内流体的流动与传热可能处于层流状 态 [1-4] ，因此，超临界压力下低雷诺数的流动与传热特性的研究具有重要的理论和应用价 值。对于亚临界压力下圆管内常物性的层流流动，在充分发展区域，流体速度沿径向呈抛 物线分布，传热Nu 数则保持不变 （均匀热流密度Nu = 4.364 ，均匀壁面温度Nu = 3.658 ）。 然而，由于在超临界压力下流体的热物性参数随温度变化较大，尤其在拟临界区域内，密 度的剧变会带来浮升力效应和流动加速效应，这将显著影响流体的流动与传热特性。同时， [1-2] [3-5] 以往的实验研究 和数值模拟 结论也表明，超临界压力下层流的流动、传热特性及其 影响因素仍然需要进一步的研究和探讨。 徐峰等 [6]利用Fluent 6.0 软件模拟了垂直光管内超临界水的层流流动特性，参数范围 为：入口雷诺数Re in=100~2000 、入口温度Tin=600~700 K 、入口压力p in=23~30 MPa ，结 果发现：在超临界压力下，Re 数沿着流动方向不断增大且在拟临界点附近增速明显，以入 口处流体物性参数计算的摩擦系数从入口处开始先减小后增大，并且和 Re 数的乘积不再 是常数。饶政华等[7]对超临界CO 在水平细微管内的层流流动与传热进行了数值模拟，给 2 出了冷却和加热条件下的速度、温度以及传热分布，结果表明：由于物性的剧烈变化，浮 升力的影响非常显著，管内的换热得到了增强，指出只要流体和壁面之间存在温差，速度 和无量纲温度分布就会不断变化，充分发展状态不可能达到。姜培学等[1-2, 8-9]对超临界CO2 在竖直加热的细微圆管内的流动与传热特性进行了实验研究和数值模拟，发现超临界层流 热物性参数的变化会导致浮升力以及流动加速效应，致使流动从层流提前转变为湍流，换 热显著增强，同时径向速度呈 M 型分布，高热流密度时管子中心区会出现回流，而对于 1 [10] 小管径 浮升力的影响较小，流动加速却影响很大。杨传勇等 采用Fluent 软件模拟了恒 壁温条件下，直径为0.5 mm，长为1000 mm 水平管内的超临界CO2 的层流冷却过程，研 究发现：管内流体顶部温度高于底部，上母线传热系数远高于下母线且在拟临界温度附近 达到峰值，二次流及范宁摩擦系数在入口区域变化最剧烈，重力加速度对管内流场产生了 重要影响。Sökmen[11]对冷热不同的两股超临界水在低雷诺数条件下T 型管道内混合后的温 度分布进