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竖直微细圆管内超临界压力CO2湍流流动和对流换热的数值模拟

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本文采用LS、LB、CH和V2F四个低雷诺数湍流模型及RNG k-ε和标准k-ε两个高雷诺数湍流模型对等热流密度加热条件下的超临界压力CO2流经内径2mm、1mm、0.27mm和0.0992mm的微细圆管内的湍流对流换热进行了数值模拟,并与实验数据进行了比较。研究了变物性、浮升力及热加速对微细圆管内超临界压力流体对流换热的影响规律;讨论了各湍流模型对浮升力和热加速的反应特性,并根据数值模拟得到的截面速度分布、湍动能分布等细节信息,深入分析了变物性、浮升力及热加速对换热的影响机理。研究表明,对于2mm和1mm内径圆管,浮升力影响不显著时,所用低Re和高Re模型均能很好地计算出管壁温度;浮升力影响显著并导致换热发生恶化时,所用低Re模型能反应浮升力的影响,并能定性计算出壁面温度变化的趋势。对于0.27mm内径圆管,浮升力相对于热加速影响更为显著时,低雷诺数LB和V2F模型均能计算出壁面温度分布的趋势;热加速对换热的影响占主导时,向上和向下流动工况中均出现对流局部换热恶化,此时LB、LS和V2F湍流模型均能模拟出局部换热恶化,而LB湍流模型对壁面温度变化定性预测相对较好。对于0.0992mm内径圆管,热流密度较强时,流动主要受热加速的影响,向上向下流动的换热均发生恶化;低雷诺数LB湍流模型能较好地反应出热加速影响,数值计算得到的壁面温度分布与实验结果符合较好。湍流模型计算而得的局部速度和湍流分布显示,向上流动时浮升力使管内径向速度分布发生扭曲,径向速度梯度减小,湍动能生成受到抑制,换热发生恶化;向下流动时浮升力增强了湍动能的生成,使换热发生强化。而热加速扭曲了向上和向下流动时的管内径向速度分布,使流体湍动能生成减少,最终导致换热恶化。基于密度的变化对超临界压力流体的湍流输运机理有显著影响,尝试对已有低Re数模型进行改进,即在LB湍流模型的阻尼函数中引入了考虑截面径向密度变化的修正项。

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