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摘要

采用SST k-ω低雷诺数湍流模型对加热条件下超临界压力CO ₂在内径 d _i= 22.14 mm, 加热长度 L _h= 2440 mm水平圆管内三维稳态流动与传热特性进行了数值计算. 通过超临界CO ₂在水平圆管内的流动传热实验数据验证了数值模型的可靠性和准确性. 首先, 研究了超临界压力CO ₂在水平圆管内的流动传热特点, 基于超临界CO ₂在类临界温度 T _pc处发生类液-类气“相变”的假设, 揭示了水平圆管顶母线和底母线区域不同的流动传热行为. 然后, 分析了热流密度 q _w和质量流速 G对水平圆管内超临界压力CO ₂流动换热的影响, 通过获取流体域内的物性分布、速度分布和湍流分布等详细信息, 重点解释了不同热流密度 q _w和质量流速 G下顶母线内壁温度 T _w,i分布产生差异的传热机理, 分析结果确定了类气膜厚度 δ、类气膜性质、轴向速度 u和湍动能 k是影响顶母线壁温分布差异的主要因素. 研究结果可以为超临界压力CO ₂换热装置的优化设计和安全运行提供理论指导.

关键词:

Abstract

In the present study, the three-dimensional steady-state numerical simulation has been performed by using ANSYS Fluent15.0 with SST k-ωlow Reynolds turbulence model to study flow and heat transfer characteristics for supercritical CO ₂in the horizontal straight tube with inner diameter d _i= 22.14 mm and heating length L _h= 2440 mm under heating condition. The reliability and accuracy of the numerical model was verified by the experimental data of flow and heat transfer of supercritical CO ₂in horizontal tube. Firstly, flow and heat transfer characteristics of supercritical CO ₂was studied in horizontal tube. Based on the assumption that the supercritical CO ₂will undergoes “phase transition” between liquid-like and vapor-like at pseudocritical temperature T _pc, the differences between top generatrix and bottom generatrix of horizontal tube at flow and heat transfer behaviors were revealed. The results show flow and heat transfer characteristics of supercritical CO ₂in horizontal tube are similar to those under subcritical pressure. Then, the influences of heat flux q _wand mass flux Gon flow and heat transfer of supercritical CO ₂were analyzed. The higher heat flux q _wis or the smaller mass flux Gis, the higher inner wall temperature T _w,iat top generatrix is. The reasons for difference in the distribution of inner wall temperature T _w,iat top generatrix under different heat flux q _wand mass flux Gwere explained by capturing detailed information about thermophysical properties distribution including specific heat at constant pressure c _pand thermal conductivity λ, axial velocity distribution and turbulent kinetic energy distribution in the fluid domain. It is observed that vapor-like film thickness δ, vapor-like film property characterized by specific heat at constant pressure c _pand thermal conductivity λ, axial velocity uand turbulent kinetic energy kare the main factors affecting the difference in inner wall temperature distribution at top generatrix. The present work can provide a theoretical guidance for design and safe operation of heat exchanger for supercritical CO ₂Brayton cycle.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:徐进良,xjl@ncepu.edu.cn

基金项目:国家级-国家重点研发计划(2017YFB0601801)

Authors and contacts

Corresponding author:Xu Jin-Liang,xjl@ncepu.edu.cn

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