文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123144
超临界水在半周加热倾斜管内传热数值模拟
刘乐,李素芬,东明
(大连理工大学综合实验二号楼516室,大连,116024)
(Tel:**********,Email:liule06031623@)
摘要:以超(超)临界锅炉为研究背景,用数值模拟方法研究半周加热条件下超临界水在倾斜光管内流动和传热特性。基于CFD软件CFX,针对管径为Φ32×3mm、倾角为20°的倾斜光管,在不同压力、不同质量流量和热负荷条件下,对管内流体的流动和传热特性进行了数值计算;分析了大比热区内倾斜光管内壁面上下母线温度、温差以及加热面中心母线传热系数随工质焓值变化的特性及机理;并讨论由于大比热区水的物性变化而产生的流体分层和二次流现象对管内流动和传热不均匀性的影响。为检验数值模拟的合理性,针对文献中的实验条件进行了相应的数值计算,计算结果与实验结果吻合良好。
关键词:超临界压力;半周加热;大比热区;传热特性;数值模拟
0 引言
超(超)临界锅炉由于其大容量、高参数、低消耗和污染物排放少等优点日益受到重视,是我国目前鼓励并大力发展的先进火力发电技术。现代电网负荷变化很大,电网负荷峰谷之差已达30%以上,为了更好地适应电网调峰,锅炉机组多采用变压运行方式[1]。超(超)临界锅炉机组变压运行时,水冷壁管内工质压力在超临界范围,其物性在拟临界温度附近发生剧烈复杂的变化,导致水冷壁出现爆管和传热恶化等现象。因此,近年来超(超)临界压力下水的水动力特性、传热特性和管壁温度分布规律特性的研究又成为热点。
图1给出压力为26MPa和34MPa时水的物性随温度的变化。由图1可见,在拟临界温度附近,水的密度、比热、导热系数、动力粘度系数急剧变化,因而,超临界水的流动和传热现象非常复杂。Yamagata等人[2]和Styrikovich等人[3]对超临界水在水平圆管和垂直圆管内流动和传热特性进行了大量的实验研究,获得了在拟临界区域附近能较好预测传热系数的关系式,同时还获得了传热恶化起始点和质量流量之间的关系式。陈听宽[4]对垂直上升光管内亚临界和超临界水的传热特性进行了实验研究,获得了
垂直上升光管对流沸腾传热随压力、质量流速及热负荷变化的复杂关系,总结了发生传热恶化的条件。陈听宽等[5]在全周均匀加热和侧面半周加热条件下,对超临界水螺旋管内传热特性进行了实验研究,获得超临界压力下,倾斜管半周加热比全周加热壁温分布均匀,壁温飞升较低等结论。田永生等人[6]对倾角为14°和10°倾斜管内超临界水的传热特性进行了实验研究,发现管内截面上自然对流引起壁温、传热系数从顶点到底点非单调变化,并且获得传热恶化前后对流传热系数的关系式。Zhang B等人[7]采用标准k-ε方程对超临界水在水平管内流动进行了数值模拟研究,将浮力效应的判定关系式Gr/Re2==1e-5。雷贤良等[8]采用RNG k-ε方程,对超临界水在倾角为20°倾斜上升管内非均匀传热特性进行了数值模拟研究,验证计算模型的正确性,分析大比热区物性变化对倾斜光管内传热不均匀性对上下母线内壁温和管内传热不均匀性的影响;并分析二次流对倾斜管内传热特性影响的机理。锅炉水冷壁的布置方式决定了水冷壁的加热方式为半周加热,与全周加热相比半周加热导致管壁温度分布和流体分层的差异很大,管内流体加热分布的不同导致管内二次流和流体速度的分布完全不同,从而使半周加热条件下倾斜管内流体的传热性质有很大的独特性,因此,本文以超临界锅炉倾斜水冷壁管为对象,重点研究半周加热倾斜管内的传热特性。
图1 压力为26MPa和34MPa时水的物性随温度的变化
1 物理数学模型
物理模型
本文针对管径为Φ32×3mm、长度为26000mm、倾角为20°半周加热倾斜光管,进行
管内超临界水的传热和流动特性数值模拟研究,其物理模型如图2所示。
x
y
z
20°
L=26000mm
A
A
Uout, Tout
180°
0°
90°
加热面
A-A
270°
Uin ,Tin , Gin
q
图2 倾斜光管物理模型
·kg-1·K-1的区域定义为“大比热区”。在大比热区,超临界压力下水的物性参数变化非常复杂,特别是在拟临界温度附近水的物性参数变化剧烈,为保证数值模拟计算结果的准确性,本文引入国际水与水蒸汽标准IAPWS-IF97公式,准确的给出了数值计算范围内超临界水的物性参数。
控制方程
本文采用基于有限元的有限体积法求解温度场和速度场分布,采用全隐式的离散格式保证计算结果的准确性。流体工质假定为可压缩牛顿流体,采用连续介质模型计算超临界水的传