超临界二氧化碳在管内换热研究

发布时间：2020-05-11 17:54

【摘要】：超临界二氧化碳布雷顿循环发电作为新一代发电技术,相比现有超临界水机组具有结构紧凑、效率高等特点,其研发日益受到关注。在超临界压力条件下,实现对二氧化碳对流换热特性的深入理解和准确预测,对超临界二氧化碳受热面的安全设计至关重要。本文将数值模拟和实验方法相结合,对超临界二氧化碳在圆管内的对流和换热现象进行研究,并对计算模型进行修正,以实现对于传热效果的准确预测。在此基础上分析了热流密度、质量流速和压力等参数对于换热效果的影响,并且通过计算获取管道内部流场与温度场,对传热恶化的机理进行分析、解释和论证,为接下来的实验工况的设计与结果预测提供数据和参考。首先,为了降低计算资源消耗和提高仿真效果,本文进行了大量湍流模型验证和网格敏感性分析工作,最终选用SST k-ω湍流模型捕捉工质的传热和传质过程。然后将实验数据与模拟结果对照和分析,分别对传热恶化和正常传热现象进行定义。接着设计了一系列工况研究分析浮升力、热速度和加热负荷等因素与传热效果的关联。并引入Bo、Ac等无量纲参数,研究传热恶化的判定准则。其次,在模拟结果的基础上,本文先分析了正常传热工况,发现此类工况的管内SCO2近似于常物性流动。当壁面温度超过拟临界温度,而主流温度仍低于拟临界温度时,在圆管截面方向上,SCO2流型接近充分发展的湍流,大比热区主要出现在过渡区(5y+60)内,流体的热物性梯度较小,湍流动能和换热效率都比较稳定。而当主流温度接近拟临界温度,大比热区才开始向湍流核心区域转移,截面热物性曲线仍然平缓,此时传热危机不会发生。最后,对传热恶化的机理进行研究和分析,并阐明物性变化对传热的影响。在传热恶化现象出现时,圆管壁面温度均已超过拟临界温度,而主流温度尚未接近拟临界温度。与正常传热工况中不同,此时流体的大比热区迅速从过渡区移至湍流核心区,近壁面的低密度层形成,核心区的流动速度曲线趋于平坦,其速度梯度和湍流强度均趋于0,雷诺剪切应力持续降低。随着低密度层扩大,M型速度曲线形成,核心区的雷诺应力方向改变,过渡区中的雷诺应力水平恢复,传热恶化得到抑制,壁面温度虽保持单调递增,但增长速率开始减小。直到传热效率恢复到一定水平,壁面温度到达峰值点,传热恶化结束。
【图文】：

湍流结构,热物性参数,强耦合,物性

图１－１超临界ｃｏ２热物性参数逡逑在大比热区内物性的剧烈变化，导致了流场和温度场之间的强耦合，造成了十逡逑分不均匀的物性分布，影响了流场和湍流结构。这对于传热的影响十分明显，逡逑２逡逑

壁湍流,湍流,黏性,壁面

一个或者多个固壁边界影响的湍流流动被称为壁湍流，固体边界的体减速，至少在靠近固壁的区域是如此。因此在固体壁面和ｆｅ流区之是变化的，而平均速度的变化导致流场的各向异性。逡逑讨论不渗透的刚壁情况，可以将湍流大致分为三类：（］）流过光两平板的管道流；（２）在光滑圆管中流过的压力流；（３）湍流区域方向增大的边界层流动。本文仅考虑最简单的一种流动：通过一等的流动。但管内流动的重要性是毋庸置疑的，无论是在工业应用还活中，它给输送系统的整体效率及质量、动量和能量的交换效率设限制。逡逑沿刚壁的湍流中，湍流直接受刚壁影响。对于光滑壁面，这影响通的作用发生。在自由湍流中，当雷诺数足够大时，黏性对流体的整体结构的影响可以忽略；在壁湍流中对任意雷诺数，在靠近壁面的特性总是由流体的黏性确定。在远离壁面处，流体黏性对湍流总体影响可以变得很小，并可以忽略不计；所以可以预料，在那里壁湍流有某些相似之处。逡逑４０逦■逦逡逑
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM621;TK124

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