10 mm垂直單管通道內超臨界水傳熱弱化現象的實驗與數值分析

張 戈，張 昊，顧漢洋，楊燕華

(上海交通大學 核能科學與工程學院，上海 200240)

超臨界壓力下流體物性奇特的變化規律導致其對流傳熱現象十分獨特。Jackson等[1]和Cheng等[2]分別對超臨界流體對流傳熱進行研究，根據傳熱機理不同，可分為3種傳熱現象：大流量小熱流下的強迫傳熱、小流量大熱流下的混合對流傳熱和大流量大熱流下的強加速流動傳熱。

當流量較小、壁面熱流較大時，壁面附近流體密度隨溫度的升高而急劇減小，導致浮升力的作用加強，并對傳熱產生很大影響，形成傳熱弱化現象。根據浮升力作用方向不同，混合對流可分為浮升力助推流動(浮升力的方向和流動方向相同)和浮升力阻滯流動(浮升力的方向和流動方向相反)。浮升力作用下的傳熱弱化現象是超臨界流體傳熱的一重要特征，也是人們非常關心的一個現象。在相關文獻中，Sharabi等[3-4]、Wilcox[5]、Speziale等[6]用傳統的湍流模型模擬了傳熱弱化現象，其結果能定性預測傳熱弱化現象的發生與恢復，但在壁面溫度的預測上均偏高。Petukhov等[7]總結了浮升力對超臨界流動傳熱的影響，主要歸結為兩類：第1類是浮升力直接影響平均速度分布，進而間接影響湍流流動，稱為外部效應；第2類是浮升力直接影響湍流流動，稱為結構效應。

本工作通過實驗獲取10 mm單管中超臨界水流動的傳熱弱化數據，采用文獻[8]改進的k-ε-kt-εt四方程模型對該實驗參數下的管內流動傳熱特征進行數值分析。

1 實驗研究

1.1 實驗

上海交通大學建成了適用于超臨界流體熱工水力實驗的SWAMUP回路[9]，SWAMUP回路示意圖示于圖1。該回路運行壓力最高30 MPa，出口溫度最高可達550 ℃，主泵流量5 t/h。預熱段加熱功率最大300 kW，試驗段加熱功率最大900 kW。穩壓器通過頂部的氮氣空間保持回路整體的壓力。試驗段為內徑10 mm的單管，其加熱長度為2.5 m。由布置在壁面上的49根間隔為5 cm、直徑為1 mm的熱電偶測量壁面溫度。實驗測量的各參數的不確定度列于表1。

圖1 SWAMUP回路示意圖

表1 測量參數的不確定度

1.2 實驗數據處理

試驗段的熱平衡實驗表明試驗段的保溫效果很好。因此，加熱的電功率可認為全部加入到試驗段中。壁面熱流密度為均勻分布，因此內側壁面熱流密度為：

q=UI/πDiL

(1)

外壁面由49根熱電偶測量溫度。將壁面劃分為100層，在假設體積發熱量相同的情況下，內壁面溫度由99次的式(2)迭代計算得到。

/4kw)((Di/2)2-(Di+1/2)2)-

(qVl/2kw)(Di/2)2ln(Di/Di+1)

(2)

其中：tw為壁面溫度；i為壁面劃分層數的編號；kw為管道熱導率；qVl為體積熱流密度。qVl的表達式為：

(3)

管道熱導率由平均溫度算得，平均溫度為：

/2

(4)

主流溫度由沿流動方向的均勻焓升計算，傳熱系數由內壁溫度和主流溫度計算。

實驗工況列于表2。其中，1#工況為低流量高熱流密度，2#工況為高流量高熱流密度。

表2 實驗工況

2 數值模擬分析

假設流動為二維軸對稱流動，其在柱坐標下的質量、動量方程為：

同樣是金枝玉葉的段譽，第一次來燕子塢吃的那些：“茭白蝦仁”“龍井茶葉雞丁”，看看就教人饞涎欲滴。段譽的當時心理評判是這樣的：“魚蝦肉食之中混以花瓣鮮果，色彩既美，自別有天然清香。”

ρρ

(5)

(6)

(7)

其中：r為柱坐標的半徑；x為柱坐標的長度；ρ為密度；u、v為不同方向的速度；p為壓力；g為重力加速度；μe為有效黏性系數，μe=μ+μt，μ為動力黏性系數，μt為湍流黏性系數。

(8)

其中：Cμ為常數；fμ為考慮壁面效應的衰減函數；k為湍動能；ε為湍動能耗散率。

能量方程為：

ρρ

(9)

其中：h為焓；σt為湍流普朗特數，本文取0.9。

k和ε方程為：

μ

ρPk+ρGk-ρε

(10)

(11)

根據文獻[9]對本文中的k-ε模型進行改進，改進后的k-ε模型的參數和方程列于表3。

表3 k-ε模型參數和方程

(12)

(13)

(14)

式中：Ret為湍流雷諾數；y+為無量綱參數；Reb為主流雷諾數；εw為ε方程在壁面處的邊界條件；y為壁面法線方向；ν為運動黏度。

在k方程中，對于垂直管流動，Gk為：

λ

ρCPPt+ρCPε

(15)

(16)

CP2=0.62+1.2exp(-3.2Pr)

(17)

(18)

(19)

根據文獻[8]給出了改進后的kt-εt模型，其模型參數列于表4。

表4 kt-εt模型參數和方程

計算中，徑向和軸向網格結構根據計算工況進行相應調整，保證最靠近壁面的網格的y+<0.2。為得到黏性支層區域的詳細特征，在y+<5.0的區域內布置40個網格點。對流項采用QUICK離散格式，速度場和壓力場采用SIMPLEC算法。超臨界物性根據APWS-95程序生成，因管道沿程壓降相對系統壓力很小，物性只是隨流體溫度變化。

3 結果分析與討論

3.1 壁面溫度的預測

圖2示出壁面溫度實驗測量與計算結果的比較。采用的對比模型是FLUENT中常用的低雷諾數模型，分別為YS模型[10]、AB模型[11]、CH模型[12]、AKN模型[13]、LS模型[14]和常用的兩方程SST模型[15]。這幾種模型均要求近壁面處具有較多的網格。圖2計算了兩種工況：工況1，p=23 MPa，G=596.6 kg/(m2·s)，q=772.6 kW/m2；工況2，p=25 MPa，G=2 021 kg/(m2·s)，q=1 385 kW/m2。由圖2a可見：YS、AB和CH模型所計算的壁面溫度較其他模型計算的均高出很多，其計算結果不能預測傳熱弱化現象的恢復；SST模型能定性預測到壁面溫度的第1個峰值，但定量上還是差了很多。而本文模型能很好預測傳熱弱化現象的產生及恢復，也能定量預測壁面溫度。由圖2b可見，傳統的低雷諾數模型也高估了壁面溫度，本文模型能捕捉到沿流動方向上的壁溫逐漸上升趨勢，而YS和AB模型的計算結果是下降的。

圖2 壁面溫度實驗測量與計算結果的比較

3.2 傳熱機理

以工況1為例，為了分析傳熱弱化現象，對5個不同位置處的物性和湍流特征進行分析，結果示于圖3。圖3中，x=0對應正常傳熱區域，x=10R和x=50R分別為傳熱弱化起始位置和弱化過程區域，x=80R和x=140R分別對應傳熱弱化最嚴重區域和后期壁面換熱能力恢復區域，R為流道半徑。

圖3 工況1的近壁面區物性和湍流特征

從圖3a可看出，在近壁面區域出現了溫度的最大梯度。因超臨界流體的物性變化劇烈區域為擬臨界點附近區域，將擬臨界溫度±5 ℃稱為大物性變化(LPV)區。可見，在上游x=0位置的LPV區范圍十分狹小，而下游x=50R和x=80R位置的LPV區的范圍明顯擴大。對應不同位置的大比熱容變化區的分布特征，從圖3b可十分明顯地得看出這一點，且LPV區的中心位置開始遠離壁面，而x=140R位置的LPV區的中心位置比x=80R更靠近壁面。對于常規流體，因近壁面區域的溫度變化最為劇烈，其熱物性也在該區域變化最劇烈，但超臨界流體的物性變化最劇烈的位置由LPV區的位置決定，這是超臨界流體的特殊性。由圖3c可見，在x=0和x=10R位置，壁面區域存在很大的密度變化，該區域存在顯著的浮升力，并顯著改變了流體速度分布，但其大變化區域處仍限制在黏性支層區域(y+<5)，且不可能對湍流特性產生顯著影響。在下游x=50R位置，密度劇烈變化區域拓寬到整個近壁面區域，壁面溫度的上升促使更下游x=80R和x=140R位置近壁面區域的流體密度進一步降低。近壁面區域的低密度流體與中心區域的高密度流體之間的密度差產生近壁面區域的浮升力作用，顯著改變了該區域的流動和湍流特性。圖3d示出速度的分布特征。x=0和x=10R的密度僅局限在黏性支層，其速度表現為典型的強制對流湍流速度分布特征。在x=50R位置，浮升力的作用顯著增強，近壁面區域的流體速度明顯升高，使得整個速度分布變得平坦。而隨著浮升力作用的進一步增強，近壁面區域的速度進一步增加，在x=80R區域出現典型的混合對流的“M”型速度分布特征，而x=140R位置因湍流和壁面換熱的恢復，“M”型速度分布的近壁面最大值有所減低。

工況1下不同x軸位置的剪切應力分布示于圖4。浮升力對湍流的影響分為兩部分。

1) 浮升力直接影響剪切應力分布

由圖4a可見，當浮升力作用較小時，總剪切應力基本呈線性分布。當有浮升力作用時，剪切應力發生改變。因壁面熱流的輸入，近壁面處和主流區間存在溫差，產生如圖3c所示的密度差，導致近壁面處的速度變大，相對主流處的速度形成趨于平坦的層流化現象(圖3d)。同時，密度差還導致近壁面處的剪切應力減小(圖4b、c)。剪切應力和平均速度梯度對湍流傳熱的影響很大。平均速度梯度的存在導致較大渦的存在，大渦通過剪切應力增強湍流的交混作用，提高熱量傳遞的效率。在浮升力作用下，剪切應力和速度梯度變小，使得湍流能力變弱，并導致傳熱能力變弱，進而使近壁面處和主流處溫差進一步加大，使得流體密度差進一步加大，導致剪切應力和速度梯度進一步減小，形成一正反饋模式，導致傳熱能力急劇弱化。隨著傳熱能力的弱化，近壁面處和主流處的密度差進一步增大，導致負的剪切應力的出現(圖4d、e)，剪切應力的絕對值增加。另一方面，近壁面處的速度變大，出現“M”型速度分布，近壁面處與主流處的速度梯度再次增加。這使得湍流能力加劇，傳熱能力開始恢復。

圖4 工況1不同x軸位置剪切應力分布

2) 浮升力直接影響湍流結構

湍流產生項和浮升力項是k-ε方程中的重要項。圖5示出工況1近壁面處的湍流特性。由圖5可見，湍流產生項在x=80R處達到最小值，而此處恰好是傳熱惡化最劇烈的點。當流動狀態由湍流向層流轉變時，湍流產生項急劇變小，當流動狀態由層流向湍流轉變時，湍流產生項又急劇增加。浮升力項在x=0位置很小，隨著流動狀態的變化有一定增加。但因為湍流產生項的減小，導致浮升力項的影響不能被忽略，成為湍動能的一主要源項。

圖5 工況1近壁面處的湍流特性

4 結論

1) 改進的低雷諾數模型能準確預測超臨界流體流動傳熱的傳熱惡化現象發生的起始、峰值和結束位置，而傳統模型均高估了壁面溫度。

2) LPV區域的位置影響浮升力效應。當LPV區在過渡區時，浮升力明顯影響了平均速度和湍流剪切應力，導致了傳熱弱化現象的產生與恢復。

3) 除浮升力的外部效應影響，其結構效應也會影響湍流產生項和浮升力項，而這兩項均是傳熱弱化情況下湍流方程中重要的項。

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