超临界二氧化碳流动和传热数值研究

论文摘要

超临界二氧化碳流体由于其物性表现出良好的流动和传热特性,在电站、航空工程和制冷工程都将获得广泛应用,因此深入了解和认识超临界二氧化碳流体的流动和传热特征是很重要的。本课题针对目前对超临界二氧化碳流体传热特征没有统一认识需要进一步研究为背景,探讨湍流模型模拟超临界流体在细管内传热的可靠性,通过数值模拟获得更加详细的流场信息来加深对实验中观察到的现象的理解为目标,以理论分析和数值模拟研究细圆管内超临界二氧化碳流场和温度场为基础,依据试验对超临界二氧化碳流体流动和传热特性进行分析、归纳,并以CFD理论为基础对其在细管内流动和传热进行数值模拟研究,将数值模拟和实验的结果进行比较拟合传热努塞尔准数Nux=C·RrxnPrxm·F,的数学表达式。在对超临界二氧化碳流体流动和传热分析的过程中,分析了影响超临界二氧化碳流体对流换热的主要因素:压力、质量流量、流体流动方向、管径和浮升力和热流密度等,并对超临界二氧化碳细圆管内传热强化机理进行了探讨,认为以下原因造成传热强化:（一）近壁面温度梯度大和热边界层较薄;（二）超临界二氧化碳流体粘度减小和比热增加;（三）在研究条件下无论是速度场还是温度场都没有达到充分发展。数值模拟是研究超临界二氧化碳流体流动和传热的一种有效手段,通过应用数值模拟软件FLUENT,分别得到了不同截面位置处的速度场和温度场的分布云图,进一步加深了对超临界二氧化碳流体流动和传热的认识。在数值模拟细圆管内超临界二氧化碳流体流动和传热的过程中,通过改变操作压力、入口温度、质量流量、热流密度和管径等模拟条件,得出了壁面温度变化、沿流动方向的速度变化、平均换热系数的变化规律。结果显示在模拟条件下由于物性随温度变化而产生的浮升力对速度场和温度场影响很小,并通过理论计算确认浮升力和流动加速的影响可以忽略。通过对数据的整理、分析以与试验比较,最终确定了细圆管内努塞尔准数的表达式可表示为:本课题的研究实现了预期的目标,证明数值模拟是研究超临界二氧化碳流体流场和传热性能的一种很有效的手段,但需要更加合理的设置边界条件,并且模拟的精度还有待于进一步地提高,而得到的努塞尔准数公式也具有一定的工程应用价值。同时,本课题研究的过程和结果也有助于进一步研究以超临界二氧化碳流体作为工质的换热器结构及其传热性能。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 超临界二氧化碳流体与环境保护
• 1.2 超临界二氧化碳流体工质优点
• 1.3 超临界二氧化碳流体的应用
• 1.3.1 二氧化碳热泵系统
• 1.3.2 复叠式制冷系统
• 1.3.3 二氧化碳在汽车空调系统
• 1.4 超临界二氧化碳流动和传热特性的研究
• 1.5 本课题研究内容
• 第2章 超临界二氧化碳传热特性与计算机流体力学
• 2.1 超临界二氧化碳物性与传热
• 2.1.1 超临界条件下二氧化碳热物性
• 2.1.2 超临界二氧化碳物性分析
• 2.1.3 比热、密度、黏度和导热系数分析
• 2.1.4 超临界区域传热恶化和加强
• 2.1.5 超临界二氧化碳流体的换热处理原则
• 2.1.6 研究分析方法
• 2.1.6.1 无因次法
• 2.1.6.2 分布参数法
• 2.1.6.3 神经网络法
• 2.1.7 超临界二氧化碳圆管内流动与传热控制方程
• 2.2 计算流体动力学简介
• 2.2.1 计算流体力学概述
• 2.2.2 计算流体力学的特点以及计算流程
• 2.2.3 计算流体力学软件FLUENT介绍
• 2.2.4 CFD理论数值方法
• 2.2.5 流体动力学控制方程
• 2.2.5.1 质量守恒方程
• 2.2.5.2 动量守恒方程
• 2.2.5.3 能量守恒方程
• 2.2.5.4 控制方程的通用形式
• 2.2.6 常用数值模型介绍
• 2.2.7 网格生成软件GAMBIT介绍
• 2.2.8 计算流体力学最新进展
• 2.3 小结
• 第3章 数值模拟技术路线
• 3.1 模型建立
• 3.1.1 三维稳态湍流流动控制方程
• 3.1.2 边界条件
• 3.1.3 划分网格
• 3.1.4 FLUENT求解
• 3.2 传热计算
• 3.3 计算结果与验证
• 3.4 小结
• 第4章 流动和传热数值模拟与结果分析
• 4.1 圆管内流动和传热
• 4.1.1 模型建立
• 4.1.2 网格的划分和求解模型
• 4.1.3 湍流模型的选择和边界条件的设定
• 4.1.4 数值模拟结果与探讨
• 4.1.4.1 压降
• 4.1.4.2 沿流动方向速度变化
• 4.1.4.3 沿流动方向流体温度和壁面温度变化
• 4.1.4.4 流动加速的影响
• 4.1.4.5 不同超临界压力下传热系数变化
• 4.1.4.6 进口质量流率对传热影响
• 4.1.4.7 管径变化对努塞尔数的影响
• 4.1.5 传热关联式
• 4.1.5.1 不同管径下努塞尔数与Dittus-Boelter式计算值比较
• 4.1.5.2 数值模拟结果与实验比较
• 4.2 单元通道内传热
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 论文的创新之处
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果