【摘要】：超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電作為新一代發(fā)電技術(shù),相比現(xiàn)有超臨界水機(jī)組具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等特點(diǎn),其研發(fā)日益受到關(guān)注。在超臨界壓力條件下,實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳對(duì)流換熱特性的深入理解和準(zhǔn)確預(yù)測,對(duì)超臨界二氧化碳受熱面的安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文將數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合,對(duì)超臨界二氧化碳在圓管內(nèi)的對(duì)流和換熱現(xiàn)象進(jìn)行研究,并對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正,以實(shí)現(xiàn)對(duì)于傳熱效果的準(zhǔn)確預(yù)測。在此基礎(chǔ)上分析了熱流密度、質(zhì)量流速和壓力等參數(shù)對(duì)于換熱效果的影響,并且通過計(jì)算獲取管道內(nèi)部流場與溫度場,對(duì)傳熱惡化的機(jī)理進(jìn)行分析、解釋和論證,為接下來的實(shí)驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)與結(jié)果預(yù)測提供數(shù)據(jù)和參考。首先,為了降低計(jì)算資源消耗和提高仿真效果,本文進(jìn)行了大量湍流模型驗(yàn)證和網(wǎng)格敏感性分析工作,最終選用SST k-ω湍流模型捕捉工質(zhì)的傳熱和傳質(zhì)過程。然后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)照和分析,分別對(duì)傳熱惡化和正常傳熱現(xiàn)象進(jìn)行定義。接著設(shè)計(jì)了一系列工況研究分析浮升力、熱速度和加熱負(fù)荷等因素與傳熱效果的關(guān)聯(lián)。并引入Bo、Ac等無量綱參數(shù),研究傳熱惡化的判定準(zhǔn)則。其次,在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,本文先分析了正常傳熱工況,發(fā)現(xiàn)此類工況的管內(nèi)SCO2近似于常物性流動(dòng)。當(dāng)壁面溫度超過擬臨界溫度,而主流溫度仍低于擬臨界溫度時(shí),在圓管截面方向上,SCO2流型接近充分發(fā)展的湍流,大比熱區(qū)主要出現(xiàn)在過渡區(qū)(5y+60)內(nèi),流體的熱物性梯度較小,湍流動(dòng)能和換熱效率都比較穩(wěn)定。而當(dāng)主流溫度接近擬臨界溫度,大比熱區(qū)才開始向湍流核心區(qū)域轉(zhuǎn)移,截面熱物性曲線仍然平緩,此時(shí)傳熱危機(jī)不會(huì)發(fā)生。最后,對(duì)傳熱惡化的機(jī)理進(jìn)行研究和分析,并闡明物性變化對(duì)傳熱的影響。在傳熱惡化現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),圓管壁面溫度均已超過擬臨界溫度,而主流溫度尚未接近擬臨界溫度。與正常傳熱工況中不同,此時(shí)流體的大比熱區(qū)迅速從過渡區(qū)移至湍流核心區(qū),近壁面的低密度層形成,核心區(qū)的流動(dòng)速度曲線趨于平坦,其速度梯度和湍流強(qiáng)度均趨于0,雷諾剪切應(yīng)力持續(xù)降低。隨著低密度層擴(kuò)大,M型速度曲線形成,核心區(qū)的雷諾應(yīng)力方向改變,過渡區(qū)中的雷諾應(yīng)力水平恢復(fù),傳熱惡化得到抑制,壁面溫度雖保持單調(diào)遞增,但增長速率開始減小。直到傳熱效率恢復(fù)到一定水平,壁面溫度到達(dá)峰值點(diǎn),傳熱惡化結(jié)束。
【圖文】：

圖１－１超臨界ｃｏ２熱物性參數(shù)逡逑在大比熱區(qū)內(nèi)物性的劇烈變化，導(dǎo)致了流場和溫度場之間的強(qiáng)耦合，造成了十逡逑分不均勻的物性分布，影響了流場和湍流結(jié)構(gòu)。這對(duì)于傳熱的影響十分明顯，逡逑２逡逑

一個(gè)或者多個(gè)固壁邊界影響的湍流流動(dòng)被稱為壁湍流，固體邊界的體減速，至少在靠近固壁的區(qū)域是如此。因此在固體壁面和ｆｅ流區(qū)之是變化的，而平均速度的變化導(dǎo)致流場的各向異性。逡逑討論不滲透的剛壁情況，可以將湍流大致分為三類：（］）流過光兩平板的管道流；（２）在光滑圓管中流過的壓力流；（３）湍流區(qū)域方向增大的邊界層流動(dòng)。本文僅考慮最簡單的一種流動(dòng)：通過一等的流動(dòng)。但管內(nèi)流動(dòng)的重要性是毋庸置疑的，無論是在工業(yè)應(yīng)用還活中，它給輸送系統(tǒng)的整體效率及質(zhì)量、動(dòng)量和能量的交換效率設(shè)限制。逡逑沿剛壁的湍流中，湍流直接受剛壁影響。對(duì)于光滑壁面，這影響通的作用發(fā)生。在自由湍流中，當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，黏性對(duì)流體的整體結(jié)構(gòu)的影響可以忽略；在壁湍流中對(duì)任意雷諾數(shù)，在靠近壁面的特性總是由流體的黏性確定。在遠(yuǎn)離壁面處，流體黏性對(duì)湍流總體影響可以變得很小，并可以忽略不計(jì)；所以可以預(yù)料，在那里壁湍流有某些相似之處。逡逑４０邐■邐逡逑
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM621;TK124

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本文編號(hào)：2658843