圆管内超临界水非均匀传热及流动特性数值研究

摘要

超临界锅炉和超临界水冷堆系统分别是目前和未来清洁能源高效利用的发展热点，两者设备都是利用超临界压力水在做功过程中具有较高热效率的特点，因此，研究超临界压力下流体的传热和流动特性对超临界水的利用有重要的现实意义。
　　由于超临界水的压力较高，加热条件较为复杂以及实验测试技术的局限使试验研究的过程中不能观察到流道内流体的流动状态，从而不能更进一步观察圆管内超临界水的流动现象以及其对传热的影响。近年来由于计算机技术和计算流体力学的不断发展，使计算机数值模拟超临界压力下流体的流动过程成为可能性，使之成为研究超临界流体的流动和传热特性的有效手段。
　　本文利用计算流体力学软件CFX，对26MPa下超临界水在不同放置方式圆管中流动和传热过程进行数值模拟研究。通过对模拟结果和前人实验结果的分析，验证了本论文使用的物理模型和数值方法的合理性。同时分别对圆管倾斜、竖直和水平放置时，热负荷和质量流速对管内超临界水的流动和传热状态进行分析。
　　数值模拟计算结果表明:利用计算流体力学软件CFX中，RNG k-ε模型，全浮力模型以及水和水蒸气IAPWS-IF97公式能准确的预测超临界水在圆管中流动和传热过程。其中，半周加热倾斜上升管中出现流体分层现象，壁面温度分布不均匀，在截面内形成一个二次流涡，增大流体的交混作用，全周加热倾斜管中，二次流相对强度较大，但主流温度跨过拟临界温度后减弱较快;竖直管中上升流动和下降流动中热负荷和质量流速对传热系数的影响相似，而竖直上升流动相对下降流动更不利于换热，出现传热恶化现象的范围较大，并且竖直流动中大比热区内壁面的换热能力相对水平流动较强。水平管中超临界水的流体分层现象更为严重，在截面内形成两个关于中垂线对称的流涡，流体被加热过程中，流体物性分布阶段明显，二次流对换热的影响显著。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 超临界流体的传热研究

1．2．1 超临界流体的传热特性

1．2．2 超临界水的传热研究现状

1．3 数值计算方法简介

1．3．1 计算流体力学概述

1．3．2 常用计算流体力学软件介绍

1．4 本论文的主要工作

2 数值模拟方法和计算模型

2．1 基本方程

2．2 湍流模型

2．2．1 标准k-ε模型

2．2．2 RNG k-ε模型

2．3 浮力模型

2．3．1 布辛涅斯克(Boussinesq)浮力模型

2．3．2 全浮力模型

2．4 水和水蒸气IAPWS-IF97公式

2．5 计算网格和无关性验证

2．6 几何模型和边界条件

2．7 数值模拟模型验证

2．8 本章小结

3 超临界压力区倾斜管内的传热特性

3．1 半周加热倾斜管流动和传热特性

3．1．1 不同工况下上下母线壁温分布

3．1．2 壁温分布的不均匀性分析

3．1．3 传热特性的影响及其规律

3．1．4 流动特性的影响及其规律

3．2 半周和全周加热倾斜管流动和传热特性对比

3．3 传热状况评定

3．4 本章小结

4 超临界压力区水平圆管内的传热特性

4．1 水平管内超临界水的传热特性

4．2 水平管内超临界水的流动特性

4．2．1 Se／Re数

4．2．2 流体分层现象

4．2．3 密度梯度分布

4．2．4 壁面温度分布

4．3 传热状态判定

4．4 本章小结

5 超临界压力区竖直圆管内的传热特性

5．1 竖直上升管中超临界水的传热特性

5．1．1 热负荷对传热的影响

5．1．2 质量流速对传热的影响

5．2 垂直下降管中超临界水的传热特性

5．2．1 热负荷对传热的影响

5．2．2 质量流速对传热的影响

5．3 竖直管和水平管中超l临界水传热特性差异分析

5．4 传热状态评定

5．5 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢