变湍流Prandtl数模型在垂直上升管内超临界水传热数值模拟中的应用
发布时间：2022-01-03 12:18
为了准确地预测超临界压力水的传热恶化（HTD）,本文分析了湍流Prandtl数（Prt）对超临界压力水传热的影响。在理论研究的基础上,提出了一种与物理性质相关的可变Prt模型。利用所提出的Prt模型以及其他2个先前的Prt模型和2个常数Prt模型对垂直上升加热管内超临界水传热进行了数值模拟,通过与文献中的2组传热恶化工况下的实验数据进行对比评估,发现本文所提出模型能更准确地预测壁温。
【文章来源】：热力发电. 2020,49(07)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
垂直上升管物理模型
展的湍流核心区，流体的t很大，导致t/很大，此时(t/)/Prt远大于(1/Pr)，分子项对传热的影响可以忽略。相关实验表明，在湍流核心区，Prt被确定为约等于0.85的常数[9]；在介于二者之间的区域，即过渡层、对数律层与湍流核心区的前端，分子项与湍流项对传热的贡献程度相当，而Prt的大小决定了湍流项(t/)/Prt的大小，所以需要仔细地确定该层Prt的大校方程(10)的右侧是能量方程的扩散项，随着Prt的增加，能量扩散项将减少，所预测的壁温值将会增高。图3使用不同常数值Prt的SSTk-模型来预测垂直光管中超临界水向上流动的壁温。由图3可以看出：随着Prt的增加，所预测的壁温迅速增高，与理论分析一致；当使用Prt为0.85时，壁温飞升值远小于实验值，且发生HTD的位置偏后；当使用Prt为0.95时虽然整体趋势与HTD的位置与实验值比较符合，但是壁温飞升值大大超过实验壁温，这表明约等于1的常数Prt不再适用，将Prt视为常数是不合理的。图3使用不同常数值Prt的壁温预测值Fig.3ThepredictedvaluesofwalltemperaturebyusingdifferentconstantvaluesofPrt为进一步研究Prt对HTD现象特别是对壁温飞升值的影响，首先需要了解管道横截面流体的重要参数（流体密度，分子普朗特数Pr，湍流动力黏度比t/及湍动能k等）沿管径方向的变化情况，选取Prt=0.85模拟Ackerman等人文献[16]中发生强烈HTD现象的实验工况（p=24.8MPa，G=407kg/(m2·s)，q=315kW/m2），用以探寻各参数的变化规律。选取模拟结果中HTD现象最严重时的流体截面为M
102热力发电2020年http://www.rlfd.com.cn图4Prt=0.85时垂直上升管各截面参数变化(HTD)Fig.4Variationsofcross-sectionparameters(HTD)ofverticaltubewhenPrt=0.85由图4a)可以看出，在y+<5和y+>100的区域中流体密度稍有变化，而在y+=5~100的区域中，流体密度的变化十分剧烈，从气体状态值变为液体状态值。由图4b)可以看出，壁温飞升最明显的M截面和下游恢复区的N截面的Pr值出现了明显的峰值，其位置约在y+=5~100之间；说明在过渡层、对数律层以及湍流核心区的前部分的Pr较大，而Pr值的增大意味着1/Pr值的减小，即分子热传导项对传热贡献较低，但是由于Prt为常数，Pr值对传热的影响不能有效地表现出来。同样地，由图4c)可以看出，在y+=5~100范围内，该区域内M截面的t/值相比于其他两个截面要小，对应到图4d)相同区域，该区域内M截面的k值相比于其他两个截面要小，湍动能的减小导致了HTD现象的发生。图4d)还表明了Prt=0.85模拟可以再现湍动能的衰减和恢复，然而，Prt=0.85不能再现传热特性，因为它低估了湍流减少对传热的影响，因此模拟的壁温较低。这些特征表明Prt应该与流动参数以及物性相关。因此Prt值在y+=5~100区域内不应是常数，而是一个与t/和Pr有关的变量。2变Prt模型及传热恶化机理分析2.1变Prt模型上述分析奠定了Prt表达式的基础，在提出用于模拟超临界水垂直上升流传热的可变Prt模型时，需要考虑以下因素。1）Prt对预测的壁温值有强烈的影响。Prt的增加导致能量扩散项的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于分段改进S变换的复合电能质量扰动识别[J]. 杨剑锋,姜爽,石戈戈. 电力系统保护与控制. 2019(09)
[2]计及燃气-蒸汽联合循环机组的热电联合调度模型[J]. 杨凯淇,许丹,谢华宝,丁强,胡林献. 电力系统保护与控制. 2019(08)
[3]基于云平台的发电机组节能减排实时监控系统[J]. 郑中原,赵鹏,姜玲,张佳成,于金山. 电力系统保护与控制. 2019(07)
[4]考虑需求侧协同响应的热电联供微网多目标规划[J]. 刘辉,刘强,张立,周中锋. 电力系统保护与控制. 2019(05)
[5]螺旋管圈内螺纹管内上母线处超临界水传热关联式建立[J]. 郭宇朦,李会雄. 热力发电. 2018(10)
[6]Study of Variable Turbulent Prandtl Number Model for Heat Transfer to Supercritical Fluids in Vertical Tubes[J]. TIAN Ran,DAI Xiaoye,WANG Dabiao,SHI Lin. Journal of Thermal Science. 2018(03)
[7]基于无量纲结构因子的低质量流速内螺纹管中超临界水流动和传热性能分析[J]. 李舟航,唐国力,吴玉新,吕俊复,李瑞欣. 中国电机工程学报. 2018(10)
[8]700℃超超临界燃煤发电技术研究现状[J]. 刘入维,肖平,钟犁,江建忠,徐正泉. 热力发电. 2017(09)
本文编号：3566265
【文章来源】：热力发电. 2020,49(07)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
垂直上升管物理模型
展的湍流核心区，流体的t很大，导致t/很大，此时(t/)/Prt远大于(1/Pr)，分子项对传热的影响可以忽略。相关实验表明，在湍流核心区，Prt被确定为约等于0.85的常数[9]；在介于二者之间的区域，即过渡层、对数律层与湍流核心区的前端，分子项与湍流项对传热的贡献程度相当，而Prt的大小决定了湍流项(t/)/Prt的大小，所以需要仔细地确定该层Prt的大校方程(10)的右侧是能量方程的扩散项，随着Prt的增加，能量扩散项将减少，所预测的壁温值将会增高。图3使用不同常数值Prt的SSTk-模型来预测垂直光管中超临界水向上流动的壁温。由图3可以看出：随着Prt的增加，所预测的壁温迅速增高，与理论分析一致；当使用Prt为0.85时，壁温飞升值远小于实验值，且发生HTD的位置偏后；当使用Prt为0.95时虽然整体趋势与HTD的位置与实验值比较符合，但是壁温飞升值大大超过实验壁温，这表明约等于1的常数Prt不再适用，将Prt视为常数是不合理的。图3使用不同常数值Prt的壁温预测值Fig.3ThepredictedvaluesofwalltemperaturebyusingdifferentconstantvaluesofPrt为进一步研究Prt对HTD现象特别是对壁温飞升值的影响，首先需要了解管道横截面流体的重要参数（流体密度，分子普朗特数Pr，湍流动力黏度比t/及湍动能k等）沿管径方向的变化情况，选取Prt=0.85模拟Ackerman等人文献[16]中发生强烈HTD现象的实验工况（p=24.8MPa，G=407kg/(m2·s)，q=315kW/m2），用以探寻各参数的变化规律。选取模拟结果中HTD现象最严重时的流体截面为M
102热力发电2020年http://www.rlfd.com.cn图4Prt=0.85时垂直上升管各截面参数变化(HTD)Fig.4Variationsofcross-sectionparameters(HTD)ofverticaltubewhenPrt=0.85由图4a)可以看出，在y+<5和y+>100的区域中流体密度稍有变化，而在y+=5~100的区域中，流体密度的变化十分剧烈，从气体状态值变为液体状态值。由图4b)可以看出，壁温飞升最明显的M截面和下游恢复区的N截面的Pr值出现了明显的峰值，其位置约在y+=5~100之间；说明在过渡层、对数律层以及湍流核心区的前部分的Pr较大，而Pr值的增大意味着1/Pr值的减小，即分子热传导项对传热贡献较低，但是由于Prt为常数，Pr值对传热的影响不能有效地表现出来。同样地，由图4c)可以看出，在y+=5~100范围内，该区域内M截面的t/值相比于其他两个截面要小，对应到图4d)相同区域，该区域内M截面的k值相比于其他两个截面要小，湍动能的减小导致了HTD现象的发生。图4d)还表明了Prt=0.85模拟可以再现湍动能的衰减和恢复，然而，Prt=0.85不能再现传热特性，因为它低估了湍流减少对传热的影响，因此模拟的壁温较低。这些特征表明Prt应该与流动参数以及物性相关。因此Prt值在y+=5~100区域内不应是常数，而是一个与t/和Pr有关的变量。2变Prt模型及传热恶化机理分析2.1变Prt模型上述分析奠定了Prt表达式的基础，在提出用于模拟超临界水垂直上升流传热的可变Prt模型时，需要考虑以下因素。1）Prt对预测的壁温值有强烈的影响。Prt的增加导致能量扩散项的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于分段改进S变换的复合电能质量扰动识别[J]. 杨剑锋,姜爽,石戈戈. 电力系统保护与控制. 2019(09)
[2]计及燃气-蒸汽联合循环机组的热电联合调度模型[J]. 杨凯淇,许丹,谢华宝,丁强,胡林献. 电力系统保护与控制. 2019(08)
[3]基于云平台的发电机组节能减排实时监控系统[J]. 郑中原,赵鹏,姜玲,张佳成,于金山. 电力系统保护与控制. 2019(07)
[4]考虑需求侧协同响应的热电联供微网多目标规划[J]. 刘辉,刘强,张立,周中锋. 电力系统保护与控制. 2019(05)
[5]螺旋管圈内螺纹管内上母线处超临界水传热关联式建立[J]. 郭宇朦,李会雄. 热力发电. 2018(10)
[6]Study of Variable Turbulent Prandtl Number Model for Heat Transfer to Supercritical Fluids in Vertical Tubes[J]. TIAN Ran,DAI Xiaoye,WANG Dabiao,SHI Lin. Journal of Thermal Science. 2018(03)
[7]基于无量纲结构因子的低质量流速内螺纹管中超临界水流动和传热性能分析[J]. 李舟航,唐国力,吴玉新,吕俊复,李瑞欣. 中国电机工程学报. 2018(10)
[8]700℃超超临界燃煤发电技术研究现状[J]. 刘入维,肖平,钟犁,江建忠,徐正泉. 热力发电. 2017(09)
本文编号：3566265
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