為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)超臨界壓力水的傳熱惡化（HTD）,本文分析了湍流Prandtl數(shù)（Pr_t）對(duì)超臨界壓力水傳熱的影響。在理論研究的基礎(chǔ)上,提出了一種與物理性質(zhì)相關(guān)的可變Pr_t模型。利用所提出的Pr_t模型以及其他2個(gè)先前的Pr_t模型和2個(gè)常數(shù)Pr_t模型對(duì)垂直上升加熱管內(nèi)超臨界水傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過(guò)與文獻(xiàn)中的2組傳熱惡化工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估,發(fā)現(xiàn)本文所提出模型能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壁溫。 

【文章來(lái)源】：熱力發(fā)電. 2020,49(07)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

垂直上升管物理模型

展的湍流核心區(qū)，流體的t很大，導(dǎo)致t/很大，此時(shí)(t/)/Prt遠(yuǎn)大于(1/Pr)，分子項(xiàng)對(duì)傳熱的影響可以忽略。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，在湍流核心區(qū)，Prt被確定為約等于0.85的常數(shù)[9]；在介于二者之間的區(qū)域，即過(guò)渡層、對(duì)數(shù)律層與湍流核心區(qū)的前端，分子項(xiàng)與湍流項(xiàng)對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)程度相當(dāng)，而Prt的大小決定了湍流項(xiàng)(t/)/Prt的大小，所以需要仔細(xì)地確定該層Prt的大校方程(10)的右側(cè)是能量方程的擴(kuò)散項(xiàng)，隨著Prt的增加，能量擴(kuò)散項(xiàng)將減少，所預(yù)測(cè)的壁溫值將會(huì)增高。圖3使用不同常數(shù)值Prt的SSTk-模型來(lái)預(yù)測(cè)垂直光管中超臨界水向上流動(dòng)的壁溫。由圖3可以看出：隨著Prt的增加，所預(yù)測(cè)的壁溫迅速增高，與理論分析一致；當(dāng)使用Prt為0.85時(shí)，壁溫飛升值遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)值，且發(fā)生HTD的位置偏后；當(dāng)使用Prt為0.95時(shí)雖然整體趨勢(shì)與HTD的位置與實(shí)驗(yàn)值比較符合，但是壁溫飛升值大大超過(guò)實(shí)驗(yàn)壁溫，這表明約等于1的常數(shù)Prt不再適用，將Prt視為常數(shù)是不合理的。圖3使用不同常數(shù)值Prt的壁溫預(yù)測(cè)值Fig.3ThepredictedvaluesofwalltemperaturebyusingdifferentconstantvaluesofPrt為進(jìn)一步研究Prt對(duì)HTD現(xiàn)象特別是對(duì)壁溫飛升值的影響，首先需要了解管道橫截面流體的重要參數(shù)（流體密度，分子普朗特?cái)?shù)Pr，湍流動(dòng)力黏度比t/及湍動(dòng)能k等）沿管徑方向的變化情況，選取Prt=0.85模擬Ackerman等人文獻(xiàn)[16]中發(fā)生強(qiáng)烈HTD現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)工況（p=24.8MPa，G=407kg/(m2·s)，q=315kW/m2），用以探尋各參數(shù)的變化規(guī)律。選取模擬結(jié)果中HTD現(xiàn)象最嚴(yán)重時(shí)的流體截面為M

102熱力發(fā)電2020年http://www.rlfd.com.cn圖4Prt=0.85時(shí)垂直上升管各截面參數(shù)變化(HTD)Fig.4Variationsofcross-sectionparameters(HTD)ofverticaltubewhenPrt=0.85由圖4a)可以看出，在y+<5和y+>100的區(qū)域中流體密度稍有變化，而在y+=5~100的區(qū)域中，流體密度的變化十分劇烈，從氣體狀態(tài)值變?yōu)橐后w狀態(tài)值。由圖4b)可以看出，壁溫飛升最明顯的M截面和下游恢復(fù)區(qū)的N截面的Pr值出現(xiàn)了明顯的峰值，其位置約在y+=5~100之間；說(shuō)明在過(guò)渡層、對(duì)數(shù)律層以及湍流核心區(qū)的前部分的Pr較大，而Pr值的增大意味著1/Pr值的減小，即分子熱傳導(dǎo)項(xiàng)對(duì)傳熱貢獻(xiàn)較低，但是由于Prt為常數(shù)，Pr值對(duì)傳熱的影響不能有效地表現(xiàn)出來(lái)。同樣地，由圖4c)可以看出，在y+=5~100范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)M截面的t/值相比于其他兩個(gè)截面要小，對(duì)應(yīng)到圖4d)相同區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)M截面的k值相比于其他兩個(gè)截面要小，湍動(dòng)能的減小導(dǎo)致了HTD現(xiàn)象的發(fā)生。圖4d)還表明了Prt=0.85模擬可以再現(xiàn)湍動(dòng)能的衰減和恢復(fù)，然而，Prt=0.85不能再現(xiàn)傳熱特性，因?yàn)樗凸懒送牧鳒p少對(duì)傳熱的影響，因此模擬的壁溫較低。這些特征表明Prt應(yīng)該與流動(dòng)參數(shù)以及物性相關(guān)。因此Prt值在y+=5~100區(qū)域內(nèi)不應(yīng)是常數(shù)，而是一個(gè)與t/和Pr有關(guān)的變量。2變Prt模型及傳熱惡化機(jī)理分析2.1變Prt模型上述分析奠定了Prt表達(dá)式的基礎(chǔ)，在提出用于模擬超臨界水垂直上升流傳熱的可變Prt模型時(shí)，需要考慮以下因素。1）Prt對(duì)預(yù)測(cè)的壁溫值有強(qiáng)烈的影響。Prt的增加導(dǎo)致能量擴(kuò)散項(xiàng)的?

【參考文獻(xiàn)】：
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