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:123675
微细蛇形管内超临界压力CO2层流对流换热数值研究基金项目:北京市自然科学基金重大项目(3110001)、国家863项目(2012AA052803)
罗峰,胥蕊娜,姜培学
(热科学与动力工程教育部重点实验室北京市CO2资源利用与减排技术重点实验室清华大学热能工程系, 北京 100084)
(Tel:(010)62772661,Email: ******@.)
摘要:本文对超临界压力CO2在微细蛇形管内层流对流换热开展了数值模拟研究。,弯曲半径2mm,入口雷诺数200-500,压力9MPa。分析了变物性、浮升力和离心力的影响,对特征截面温度与速度分布进行了详细分析。结果表明:研究范围内,超临界压力CO2在蛇形管内换热强于同内径直管道;向上流动时,截面温度和速度呈对称分布,水平流动时,对称性消失;截面上两对涡的分布在向上和水平流动时呈现不同特性,换热强化和减弱区域不同。
关键词:超临界压力CO2;微细蛇形管;层流对流换热;浮升力;离心力
前言
超临界压力流体在核反应堆、航天航空、新型制冷设备与热泵系统、地热利用等高新领域中有着广泛的应用,如超临界水冷核反应堆堆芯内燃料在冷却通道内的对流换热、液体火箭发动机推力室层板发汗冷却、高超飞行器冲压发动机再生冷却通道内超临界吸热型碳氢燃料的流动换热、以自然工质CO2为制冷剂的跨临界循环制冷和热泵系统中气体冷却器管道内的流动换热、近年来提出的以高压CO2为工质的增强型干热岩热利用系统中超临界压力CO2在微细裂隙中的流动换热等[1-5]。流体在微细蛇形通道内流动换热时,流体在离心力的作用下产生二次流,使得流体在通道截面上的混合更加充分,换热增强,在紧凑型换热器、微反应器、工业混合器、燃料电池[6-9]以及航天火箭再生冷却[10]等领域得到了广泛应用。由于超临界压力流体在准临界温度附近物性发生剧烈变化,换热受流体变物性、浮升力和热加速的影响,与普通压力下流体对流换热相比有着其特殊的规律性。国内外关于超临界流体的研究已经开展多年,其中对超临界CO2或超临界水在直管内的实验和数值研究最为广泛[11-14],但是针对超临界流体在微细弯管中的研究并不充分[10,15],尤其关于超临界压力CO2在微细蛇形管内的对流换热研究还未见诸发表的文献。
因此,本文超临界压力CO2在微细蛇形管内层流对流换热规律进行了数值研究,分析了变物性、浮升力和离心力对CO2在微细蛇形管内竖直和水平流动换热的影响,对特征截面上温度、速度和涡的分布进行了详细分析。该研究对于了解超临界压力
CO2在微细蛇形管内换热特性并进一步在强化换热等工业过程加以利用具有一定启示意义。
数值模拟方法
物理模型
计算物理模型如图1所示,蛇形管内径d=,弯曲曲率半径R=2mm,以1/4段圆弧作为基本单元,计算区域一共包含12个单元,蛇形通道前端和末端分别有12mm和6mm的直通道,以消除流动入口效应和末端效应。
图1 物理模型
(a) 入口截面网格分布
(b) 沿流动轴线方向网格分布
图2 计算区域网格
网格化分、控制方程与边界条件
利用Gambit ,采用结构化六面体网格,壁面附近网格进行加密,入口截面网格如图2(a)所示,入口截面网格沿中心轴线方向拉伸得到整个计算区域网格,如图2(b)所示。经过网格无关性验证,1280×460的网格数目与2000×%,因此最终采用的网格方案为截面网格数目1280,沿轴线方向网格数目460。
以FLUENT ,采用层流模型,双精度计算,运用SIMPLE方法进行压力、速度修正,所有方程均采用二阶迎风差分格式,收敛标准10-8,控制方程参见FLUENT User’s Guide[16]。入口边界采用velocity-inlet,出口边界采用outflow;流体入口温度20oC,压力为9MPa,前后直管段绝热,中间蛇形管段壁面定热流密度,q=15000W/m2,CO2物性由NIST真实气体模型计算。
数据处理方法
截面x处的平均对流换热系数hx和截面x处的平均Nux数计算公式分别为:
(1)
(2)
其中,截面平均壁面温度和截面平均流体温度的计算式分别为:
; (3)
结果与讨论
超临界压力CO2在微细蛇形管内与微直管内对流换热比较
图3给出了入口压力P=9MPa,入口Re数在200-500范围内,在考虑变物性但不考虑重力影响和考虑重力影响时竖直向上流动两种情形下,超临界压力CO2在微细蛇形管内和微细直管内对流换热Nu