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超临界二氧化碳管内对流传热数值模拟

杨传勇  
【摘要】:随着科技的进步和我国工业的逐渐现代化,对能源的需求越来越多,而现在却面临能源短缺的问题。为节约能源,我国大力提倡节能减排,提高能源的利用率,而提高能源利用率的一个最重要研究方向即为如何提高热能动力装置的效率。因对应的研究比较少,特别是当流体处在超临界压力条件下的流动与换热更成为制约高参数热能动力装置发展的一个瓶颈。现阶段,针对人们对换热设备体积小、重量轻、换热效率高等方面的要求,为给换热设备的优化设计提供相应的理论依据,采用数值计算的方法,以超临界CO2为工质,对该工质在直管和螺旋管内的流动和传热特性进行研究,分析了管内因物性变化引发的浮升力对流动和换热的影响规律,探究直管和螺旋管内强化传热的方法。因此本课题的研究具有重要的理论和现实意义。 通过对恒壁温冷却时超临界C02在水平和不同倾角的直管内的混合对流换热进行数值计算,分析冷壁面温度、重力水平、入口雷诺数等变化时,壁面传热系数,二次流、摩擦系数沿管的分布规律,并引入二次流动能k1和相对二次流动能K定量表示出二次流强度。研究结果表明管内上部分流体温度高于下部分,上母线的传热系数高于下母线,并在拟临界温度附近达到峰值,管内二次流和范宁摩擦系数在靠近入口处变化最强烈。重力加速度也会对管内流动换热产生重要影响。本文工况下,研究发现管道倾斜角度为0°时管内传热系数最大的,其次为-30°和30°。重力作用下浮升力不可以忽略,重力加速度越小,倾斜角度对传热系数的影响越小。二次流可以明显的增强换热,通过水平管中浮升力判据,得到了浮升力对对流换热的影响规律。 通过对恒热流加热时超临界C02在螺旋管内湍流对流换热进行研究,分析管内不同截面处速度、温度、湍动能以及湍流有效粘度的变化情况,研究浮升力对管内流动和换热的影响规律。结果表明管内流体的最大流动速度出现在右侧底部,轴线速度沿流动方向逐渐增加,上部分流体温度高于下部分,轴线湍动能以及有效粘度都呈现出M型分布,湍动能在壁面处较大且沿流动方向逐渐增加,沿流动方向有效粘度逐渐减小,平均传热系数在靠近入口处先降低后升高,升高到峰值后又降低,bottom和outer两条母线温度相差不大,top母线温度先高于inner母线而后又比其低,传热系数分布刚好与温度分布相反。


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