不同热边界条件下超临界二氧化碳换热特性数值分析 徐向阳.doc

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143254 不同热边界条件下超临界二氧化碳换热特性数值分析 徐向阳，马挺，李磊，曾敏，王秋旺* （西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，西安 710049） （Tel: 029 E-mail: wangqw@mail.xjtu.edu.cn） 摘要：本文通过数值方法对三种热边界下管内SCO2的流动和换热特点进行了研究，结果表明，不同于常物性流体，SCO2在三种不同的热边界下局部换热性能有明显差异。对沿程流体和壁面的温升分析发现，第一类热边界（恒定壁温）下流体的温升明显快于第二类（恒定热流密度）和第三类热边界条件（与H2O热交换），而第二类和第三类热边界条件虽然壁面热流分布有差异，但SCO2的温升过程及沿程的换热系数分布具有一定相似性。以SCO2为工质，在对管壳式换热器管侧简化时，采用定壁热流边界比定壁温边界要更加符合实际工程应用。 关键词：超临界二氧化碳；热边界；传热 0 前言 自Dostal等[1]对超临界二氧化碳(SCO2)反应堆的优势进行详细论述以来，SCO2作为换热工质的换热性能方面的研究得到了越来越多的关注。近些年来对SCO2的流动换热的研究主要是基于堆芯换热的恒定热流假设，从大量的基于恒定热流边界的数值[2, 3]和实验研究[4, 5]可以发现，壁面在不同的热流密度下SCO2表现出的换热性能截然不同。主要体现在大热流密度下的传热恶化和小热流密度下的传热强化。这说明热边界条件对SCO2的换热影响重大。然而从SCO2热交换器的角度来考虑，恒定热流边界与实际的换热边界存在差异，事实上SCO2与水的换热过程中，即使不改变SCO2侧的进口边界条件，只调整水侧的进口边界也会对SCO2侧的沿程换热系数分布产生影响，这说明SCO2侧的换热对所施加热边界条件极为敏感。因此恒定壁热流边界下得到的经验关联式在其它热边界条件下的适用性就很值得怀疑，有必要讨论热边界对SCO2换热的影响，本文对不同热边界条件下SCO2的流动换热特点进行了数值对比和分析。 对流换热问题通常有三类热边界条件：恒定壁温（第一类热边界条件），恒定壁面热流（第二类热边界条件）和给定对流换热系数与环境温度（第三类热边界条件）。在真实的对流换热过程中，以第二类和第三类热边界条件最为普遍。在SCO2反应堆发电系统中，堆芯燃料棒束的换热是典型的第二类恒定热流边界，而系统中的回热器和冷却器等热交换部件则是复杂的第三类热边界，涉及双流体耦合换热。然而考虑到管壳式换热器结构复杂，以及采用第三类热边界条件进行计算时对网格及计算稳定性要求都较高，同时还需要大量的计算资源，通常在对管壳式换热器进行数值计算时，一般对数目巨大的管侧做恒定壁温处理[6-8]，这样通过省略管侧计算可以大大的减少计算工作量。超临界工况下，由于SCO2的换热能力强烈的依赖热边界条件，换热器中某一侧的恒定壁温或恒定热流边界假设可能会使得计算结果严重偏离实际情况。因此，有必要在相同换热量情况下对三种不同的热边界的局部流动和换热特性进行研究。 资助项目：国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目(No. 51120165002)和国家自然科学基金(No.资助。 1三种热边界条件下SCO2换热性能数值模拟 1.1控制方程和研究方法 SCO2是一种介于液态和气态之间的状态，其密度和比热很大，与液态时可比拟，而粘度和导热系数很小可与气态时比拟，本文将SCO2在管内的流动视为变物性不可压缩稳态流动，其通用控制方程如下[7]： （1） 其中，为通用变量，代表速度和焓值等求解变量，为广义扩散系数。 数值计算在商业软件ANSYS-CFX 12.1平台上进行，为了避免采用多项式拟合带来的精度误差，预先根据Nist数据采用自编程方式建立三维SCO2真实物性表格（RGP）为CFX提供可调用的物性数据库，物性直接采用插值的方式被求解器获取，这样大大提升了物性调用的精度和速度。计算采用标准k-ω湍流模型进行求解。 对于常物性工质，根据Filonenko公式[9]： （2） 在流动充分发展且速度一定的情况下，流体的无量纲Re保持不变，此时流动的Darcy阻力系数保持不变。再根据Gnielinski公式[9]（不考虑流体物性修正）： （3） 当物性恒定，流体的Pr数将在换热过程中保持不变，此时Nu数的大小与所施加的热边界形式无关。这意味基于某一热边界条件下的研究结果能够推广到其它