流动方向对超临界二氧化碳流动传热特性的影响

本文基于拟沸腾理论研究了超临界二氧化碳(sCO₂)在水平和垂直向上管中的流动和传热特性差异.比较了不同质量流量、热流密度和压力下水平管与垂直向上管的流动和换热特性差异.与以往超临界流体的经典单相流体假设不同,本文引入拟沸腾理论来处理sCO₂在两管中的流动和传热,将超临界流体视为多相结构,包括近壁区的类气层和管芯中的类液流体.结果发现,传热方面,在正常传热模式下垂直向上管内壁温和水平管底母线内壁温基本一致.当垂直向上管发生传热恶化时,垂直向上管的壁温峰值会随着超临界沸腾数(SBO)的增大超过对应焓值位置的水平管顶母线内壁温.垂直向上管中SBO区分了正常传热和传热恶化.而在水平管中,当弗劳得数小于100时,SBO主导顶底壁面最大壁温差.相比于垂直向上管,相同压力下的超临界流体在水平管内发生传热恶化需要更高的热流密度和质量流量的比值.流动方面,引起垂直向上管压降斜率增高的机理是孔口收缩效应.主导水平管压降变化的机理是分层效应,并用弗劳得数在水平管中顶底壁温差异与压降之间建立联系.     

超临界反应堆子通道流动传热数值分析

目前国际上对超临界水冷堆进行了大量的研究,但对其堆芯内超临界流体流动传热的认识还十分欠缺.本文采用CFX对超临界水冷堆典型子通道内的流动传热特征进行了CFD研究,对比分析了四边形和三角形布置的两类子通道流动传热特征.计算结果表明二阶SSG湍流模型能较好地模拟子通道内的超临界流体流动和传热特征.流动特征的分析表明四边形子通道内的二次流比三角形子通道内的复杂,强度也更大.两类子通道内的湍流脉动特征类似,当栅距较小时其间隙处的湍流交混系数都在0.02～0.025之间.四边形子通道的周向温度和换热不均匀性比三角形子通道的强烈.     

浮升力和流动加速对超临界CO2管内流动传热影响

基于单相流体的概念,超临界流体的异常传热行为已经被研究很多年了,但是关于其流动传热机理仍没有统一的认识.本文通过理论分析和实验研究了超临界二氧化碳在竖直管内向上流动过程中,浮升力和流动加速效应对其流动结构和传热过程的影响.结果表明,没有确凿的实验证据表明超临界流体的异常传热行为是浮升力和流动加速直接导致的,存在的估计浮升力和流动加速效应准则均是在常物性流体的基础上,做了大量假设得出的,不同的研究者采用浮升力和流动加速准则分析超临界流体的传热恶化得出的结论不一致.最后,基于拟沸腾理论分析超临界流体的传热恶化过程,提出超临界沸腾数区分了超临界流体正常传热与恶化传热的转换边界,为超临界流体流动传热研究提供新思路,超临界沸腾数对建立用于不同技术的超临界流体动力循环的最佳运行条件具有重要意义.     

曳力和湍流对超临界水流化床传热特性的影响

本文采用基于颗粒动力学的欧拉双流体模型,对比研究了曳力和湍流对超临界水流化床传热特性的影响,选取了Gidaspow、Syamlal-O'Brien和Wen-Yu三种曳力模型以及标准κ-ε、RNGκ-ε、Realizableκ-ε湍流模型三种高Re数湍流模型及低Re数κ-ε湍流模型。研究结果表明,在三种曳力模型中,Gidaspow曳力模型在超临界水流化床中更为适用;对于所采用的四种κ-ε湍流模型,利用三种高雷诺数湍流模型模拟所得床层与壁面间传热系数基本一致且大于采用低雷诺数模型模拟所得传热系数,而综合考虑,RNGκ-ε湍流模型更适于超临水流化床传热特性的研究。     

煤炭超临界水流化床制氢反应器内颗粒流动及传热特性的数值分析

煤炭超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤转化利用技术,深入研究反应器内流动和传热过程对反应器的设计及优化具有重要意义.本文基于欧拉-拉格朗日方法,耦合化学反应动力学模型,建立了煤炭超临界水流化床制氢反应器的三维瞬态CFD模型,研究了反应器内流动和传热特性、颗粒及产物组分的分布转化规律,得到了煤炭颗粒表面的对流和辐射换热系数,并从传热学的角度,揭示了颗粒粒径对煤炭转化速率的影响机理。     

裂解吸热反应对乙烷超临界传热的影响

本文对圆管内超临界状态下乙烷的湍流传热过程进行了数值模拟,分析了乙烷高温裂解对壁面热流密度、平均温度以及对流换热Nusselt数的影响。计算结果表明:考虑乙烷高温裂解吸热反应,管内平均温度会降低,出口处温度降低可达135 K;壁面热流密度则会显著增加,热出口处可增加近2倍;热裂解反应改善了超临界对流换热效果,Nusselt数可提高约20%。在本文计算条件下,经典的对流换热关系式可准确适用于不考虑热裂解反应的情况,而对于考虑裂解吸热反应的超临界乙烷传热情况则误差较大。     

2955t/h超超临界塔式炉炉膛传热与燃烧的数值模拟

通过数值模拟对2955 t/h超超临界塔式炉炉膛内燃烧过程进行研究,给出了炉内流场、温度场的分布规律以及NOx排放的影响规律.结果表明,采用同心切圆燃烧方式、CCOFA风和SOFA风对燃烧区域过量空气系数的多级控制,实现了炉膛出口烟温偏差小、NOx的排放量低的要求,数值模拟与试验数据相比,两者基本吻合.     

绕丝交混模型对钠冷快堆组件子通道分析的影响

钠冷快堆燃料棒表面缠绕的绕丝能够强化通道间的冷却剂横向流动,降低组件盒内温度分布的不均匀性,提升反应堆安全性。现有的子通道程序通过采用不同类型的绕丝交混模型,模拟了绕丝对组件盒内各类参数计算结果的影响。为了研究不同绕丝交混模型对钠冷快堆组件盒内流动与传热模拟的影响,基于Mikityuk对流传热模型以及Cheng-Todreas流动压降模型,分别采用强迫横流模型以及带绕丝湍流交混模型建立了子通道分析方法,并与美国ORNL开展的FFM-2A实验数据以及其他子通道程序针对该实验的分析结果进行了对比验证。结果表明在低流量条件下两种模型均能较好模拟带绕丝组件的流动与传热情况;在高流量条件下使用强迫横流模型分析结果与实验符合较好,使用带绕丝湍流交混模型的分析结果高估了靠近中心通道的出口冷却剂温度。     

超临界水流化床流动阻力特性的实验研究

本文在压力23～27 MPa,温度360～420℃的参数范围内,研究了固定床与流化床的流动阻力特性。实验结果表明：传统的计算固定床压降的Ergun公式在超临界水条件下仍可适用,实验值与Ergun公式计算值的平均误差为13.3%。基于固定床及流化床流动阻力特性实验结果拟合了一个适用于超临界水条件下计算流化床最小流化速度的...     

半周加热内螺纹管内超临界传热的数值模拟

半周受热内螺纹管内流体温度、壁面温度和换热系数存在周向不均匀性,本文建立了流固耦合的传热模型,通过数值模拟在不同q/G (热流密度与质量流速之比)下对比分析了半周和全周加热内螺纹管内超临界水的传热过程。研究发现半周加热内螺纹管强化了超临界流体传热,降低了内壁温度。管内流体的贴壁周向运动加强了冷热侧流体间的热量交换,同时近壁面流体与管中心流体间的传热强度也有所提高。管子几何参数对半周受热内螺纹管换热的影响比全周加热时更显著。     

高温吸热管内超临界CO2传热特性的数值模拟

研究超临界CO2在高温吸热管内的传热特性是将其应用于聚光太阳能热发电技术中的基础.本文对此进行了数值模拟研究,分析了流体温度、流动方向、系统压力、质量流率和热流密度对对流传热系数和Nu数的影响.结果表明:高温区(800—1050 K)的对流传热系数和Nu数受流动方向和系统压力的影响均很小,但都随着质量流率的增大以及热流...     

超临界水流化床反应器加料方式优化的数值模拟

超临界水流化床反应器是应用于生物质气化制氢工程中的一种新型反应器,它避免了以往管式反应器容易出现结渣、堵管的不足,而且还具有床内升温迅速、生物质气化充分以及产氢率高等优点。由于采用超临界水作为流化工质,传统流化床的设计方法已经不能满足设计要求。本文基于欧拉双流体模型对超临界水流化床加料方式进行了数值模拟研究,建立了最优加料口结构评价方法,分析了加料口结构、加料速度比以及初始床层高度对超临界水流化床颗粒分布的影响。本文研究进一步完善了超临界水流化床的设计理论。     

超临界水中硫酸钠结晶动力学的分子动力学模拟

在超临界水反应器中，硫酸钠是易造成堵塞的一种常见无机盐，研究其结晶动力学对于防盐沉积反应器的设计具有重要意义.本文采用LAMMPS分子动力学模拟软件研究硫酸钠在超临界水中的微观结晶过程，其中水分子采用SPC/E模型，离子-离子、离子-水分子相互作用采用Coulumb和Lennard-Jones联合势能函数.结果表明：水对离子的静电屏蔽作用随温度升高而增强、随密度减小而减弱；增大超临界水的温度和密度有利于离子扩散，进而促进离子相互碰撞、成核；在模拟的超临界水参数范围内，其成核速率的数量级为10²⁹cm^-3·s^-1，生长速率为(19.8~25.8) m·s^-1.     

超临界水中颗粒受Stefan流影响的数值模拟研究

超临界水气化(SCWG)技术由于其清洁及高效性而具有广阔的应用前景,反应过程中颗粒表面的Stefan流动不可忽略。本文主要开展在雷诺数10～200范围内的不同Stefan流方向以及强度对超临界水绕流固定球形颗粒的曳力以及传热过程影响的研究,同时对颗粒周围的流场以及速度和温度边界层进行了分析,结果表明,随着内向Stefan流强度的增大,曳力系数与努塞尔数均呈现增大的趋势,速度与温度边界层的厚度均呈现减薄的趋势;随着外向Stefan流强度增大,以上结论呈现相反趋势。     

超临界水流化床内两相流特性的数值模拟研究

本文基于欧拉双流体模型和颗粒动理学理论,对超临界水流化床反应器内气固两相流特性进行数值模拟,模拟获得了超临界水流化床反应器内颗粒分布特性和最小流化速度,分析了表观速度、压力、温度、初始床层高度对超临界水流化床流动特性的影响.本文的研究对超临界水流化床反应器结构的设计及操作条件的优化具有重要的指导意义.     

接触热阻对水冷辉光放电电极温度分布影响的数值模拟

为了研究接触热阻对陶瓷绝缘水冷辉光放电电极温度及其分布的影响,利用计算流体动力学软件ANSYSCFX,模拟了电极表面温度、温差随氮化铝陶瓷与两侧铜导体之间接触热阻的变化。模拟结果表明：随着接触热阻的增大,氮化铝陶瓷与铜接触界面的温度跳变幅度增大,辉光放电电极整体温度上升,并且辉光放电电极表面的最高温度和最大温差均随之呈现指数上升的变化趋势。     

超临界CO_2在岩石孔隙内流动状态的分子模拟

本文采用分子模拟的方法研究了地质封存条件下超临界CO_2在镁橄榄石孔隙内的流动,分析了孔隙尺寸、温度、压强对超临界CO_2的密度分布和流动速度的影响.研究结果表明,只有当孔隙尺寸大于5.0 nm时,超临界CO_2分子在岩石孔隙内的流动才符合Poiseuille流动;同时,超临界CO_2分子在岩石近壁面存在1.5 nm的密度震荡,当孔隙尺寸小于15 nm时,密度振荡现象会影响CO_2分子在岩石孔隙内的平均密度;升高温度、降低压强的方法可以减小密度震荡的第一峰值,减弱岩石壁面与CO_2的相互作用,使得CO_2的流动速度增加.     

超临界LNG在错列S形翅片微通道的流动传热特性研究

作为一种新型微通道换热器,印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)因比表面积大、耐高压和低温、海上适应性强以及便于模块化等特点,近年来逐渐成为浮式LNG接收站和浮式储存及再气化装置的主低温换热器首选.针对改进后的错列S型翅片,对超临界LNG在翅片通道内的流动传热特性展...     

粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度     

超临界水在倾斜上升管内的非均匀传热特性数值模拟

对超临界压力水在管径为Φ32mm×3mm、长度为8000mm、倾角为20°的倾斜光管内的流动与传热特性进行数值模拟研究,重点考察超临界水在大比热区内的奇异物性变化对倾斜管内的传热特性的影响.通过与实验数据的对比,验证计算模型的正确性;计算压力P=26,34 MPa时,不同质量流速和热负荷下倾斜光管内壁温随超临界水焓值增大而变化的规律,以及倾斜光管内壁周向温度及热负荷分布的不均匀性;分析大比热区管内上下母线处内壁温度差随工质焓值变化的特性及机理,讨论大比热区水的物性变化对倾斜光管内传热不均匀性的影响;引入截面横向动能与截面相对横向动能两个变量对二次流的强度进行描述,重点考察超临界水在大比热区内的二次流的流动特点及其对倾斜管内传热特性影响的机理.并利用截面中垂线上的密度梯度定量分析二次流变化的规律,讨论超临界压力下大比热区内倾斜光管内壁温分布异常的机理.