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超临界压力下对流传热的湍流模型研究

张昊  
【摘要】: 超临界压水堆是第四代堆型之一,极具发展前景。顾名思义,超临界压水堆是在超临界压力下运行,因此,研究超临界压力下流体的对流传热特性具有重要的意义。 在超临界压力下,物性随温度发生剧烈变化,特别是在拟临界点温度附近。物性的剧烈变化对传热的影响很大。根据传热机理的不同,可分为以下几类情况:大流量、小热流密度下的强迫对流,比热容的变化引起传热强化;小流量、大热流密度下的混合对流,密度随温度的变化导致产生强大的浮升力,对传热产生很大的影响;大流量、大热流密度下的对流传热,由于密度的变化,产生强大的加速效应,从而使传热能力变弱。 作者编写了CFD程序,通过数值模拟的方法研究了竖直通道中超临界流体强迫对流和混合对流的传热特性。因为超临界流体可视为单相流体,所以数值计算工作的主要内容是对湍流模型的评价以及改进。低Reynolds数k-ε模型是非常具有发展前景的湍流模型。本文评价了多个低Reynolds数k-ε模型的表现,并根据浮升力作用机理,对湍流模型进行了一系列改进。 对于强迫对流传热,计算结果表明传统的低Reynolds数k-ε模型能很准确的模拟壁面温度。通过对数值计算结果的分析,作者认为其传热特性是由近壁面处Prandtl数的变化所决定。近壁面处的Prandtl数变大,温度边界层的粘性底层变薄。当Prandtl数达到最大值时,温度边界层的粘性底层变得最薄,传热能力达到最强,即传热强化现象。 根据浮升力作用方向的不同,混合对流可分为浮升力助推流动和浮升力阻滞流动。对于浮升力助推流,在浮升力的作用下,传热能力依次经过弱化、回复、再弱化。传统的湍流模型虽然能模拟出壁面温度的变化趋势,但是无法准确地计算壁面温度。DNS数据显示,此时k方程中的浮升力项占据很重要的地位,而传统的浮升力项模型极大地低估了浮升力的作用,导致其无法准确地计算壁面温度。作者研究了浮升力项模型,并对湍流模型进行了改进,提出:k方程中的浮升力项采用改进的AFM模型,湍流模型采用k-ε-kt-εt模型。计算结果表明作者改进后的模型极大地改进了计算结果,能较准确地计算壁面温度。理论分析以及计算结果表明,浮升力作用决定了其传热特性。一方面浮升力对湍流的间接作用(外部效应)使剪切应力和速度梯度发生变化,当浮升力的作用使剪切应力和速度梯度变小,传热能力变弱,当剪切应力的绝对值开始变大以及M型的速度分布出现时,传热能力回复。另一方面浮升力对湍流的直接作用(结构效应)也影响着传热,k方程中的浮升力项起着很重要的作用,表明浮升力作用是湍动能产生的主要来源之一。 对于浮升力阻滞流,浮升力的作用使传热能力强化。理论分析和DNS数据表明,k方程中的浮升力项不占重要地位,因此浮升力项的模型选择不重要。传统的湍流模型均能较准确地计算壁面温度。作者分析了其传热机理,认为浮升力作用使剪切应力和速度梯度增大,由此传热能力增强,即浮升力的外部效应导致传热能力增强。相对于浮升力的外部效应,此时浮升力对湍流的直接影响很小,即浮升力的结构效应可忽略。


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