螺旋管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性數(shù)值研究

＊朱旭濤 顏建國(guó) 何丹 朱鳳嶺

（西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 710048）

引言

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)被視為革命性的新一代能量轉(zhuǎn)化技術(shù)，在太陽(yáng)能熱發(fā)電等清潔能源利用領(lǐng)域前景廣闊。超臨界CO2具有較低臨界參數(shù)、無(wú)毒穩(wěn)定、易于獲取等優(yōu)勢(shì)[1-2]。然而，超臨界流體熱物性在擬臨界溫度附近變化劇烈，對(duì)其流動(dòng)換熱特性存在顯著影響。

目前，文獻(xiàn)中針對(duì)超臨界CO2對(duì)流換熱研究主要集中在直管結(jié)構(gòu)中。李超等[3]通過場(chǎng)協(xié)同原理分析了管內(nèi)速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同程度，分析了局部傳熱惡化原因。徐向陽(yáng)等[4]指出熱邊界對(duì)超臨界CO2局部換熱性能有顯著影響。張麗娜等[5]討論了熱流密度、壁面溫度、質(zhì)量流量以及壓力等因素對(duì)水平管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱的影響。劉生暉等[6]發(fā)現(xiàn)存在明顯的浮升力效應(yīng)和流動(dòng)加速效應(yīng)。

與直管相比，螺旋管是一種有效的傳熱強(qiáng)化措施，目前針對(duì)螺旋管內(nèi)超臨界CO2換熱特性的研究仍相對(duì)較少。劉新新等[7]計(jì)算了豎直直管和螺旋管內(nèi)超臨界CO2換熱特性，討論了熱工參數(shù)對(duì)其換熱特性的影響。Xu等[8]分析了質(zhì)量流量和壓力對(duì)水平螺旋冷盤管超臨界CO2對(duì)流換熱系數(shù)的影響。Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)浮力和離心力耦合效應(yīng)對(duì)螺旋盤管周向溫度和傳熱系數(shù)分布有重要影響。

在特殊熱物性以及復(fù)雜流動(dòng)效應(yīng)的影響下，螺旋管內(nèi)超臨界流體流動(dòng)換熱特性仍未厘清。本文計(jì)算了多種條件下的豎直螺旋管內(nèi)超臨界CO2換熱流動(dòng)過程，分析了熱流密度、質(zhì)量流速、壓力等因素對(duì)換熱系數(shù)的影響，并且對(duì)比了直管和螺旋管內(nèi)超臨界CO2換熱流動(dòng)性能。研究工作可為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。

1.數(shù)值模擬

(1)物理模型

本文所用豎直螺旋管幾何模型如圖1所示，其中螺旋管直徑d=2mm，螺旋曲率直徑D=125mm，螺距H=30mm，以Z軸作為螺旋管軸線，超臨界CO2在螺旋管內(nèi)自下而上流動(dòng)。?為軸向角，定義入口處?=0°，圖中標(biāo)注了?=0、?=180°、?=360°、?=540°、?=720°、?=900°的位置，每增加一個(gè)螺距的高度，?增大360°。螺旋管的遠(yuǎn)軸、近軸和上下側(cè)的四條母線分別稱為outer、inner、top、bottom。作為對(duì)比，豎直圓管的管徑d=2mm，管長(zhǎng)l=1000mm。重力加速度g=9.8m/s2，方向豎直向下。

圖1 螺旋管幾何模型示意圖

(2)數(shù)值方法

采用ICEM CFD軟件對(duì)豎直螺旋管的三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分。湍流模型選擇SST k-ω模型。壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)能量方程、動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、湍動(dòng)能以及比耗散率項(xiàng)進(jìn)行離散。進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終選取網(wǎng)格數(shù)量為172萬(wàn)。

在邊界條件設(shè)置方面，選用恒定熱流密度的加熱方式，選擇質(zhì)量流速作為入口條件，自由出口作為出口條件，無(wú)滑移的壁面作為壁面條件。通過REFPROP軟件中獲取在不同溫度和壓力下CO2物性參數(shù)，并在Fluent自定義材料中按Piecewise-liner方法輸入。

2.計(jì)算結(jié)果及分析

(1)熱工參數(shù)的影響

圖2給出了質(zhì)量流速對(duì)換熱系數(shù)的影響。平均對(duì)流換熱系數(shù)隨質(zhì)量流速的增加不斷增大。平均對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線均在擬臨界溫度附近出現(xiàn)了明顯峰值，且峰值的增幅與質(zhì)量流速有關(guān)，質(zhì)量流速越高，邊界層厚度減小，換熱得到增強(qiáng)，平均對(duì)流換熱系數(shù)峰值增幅越明顯。

圖2 質(zhì)量流速對(duì)超臨界CO2換熱流動(dòng)特性的影響

圖3給出了熱流密度對(duì)換熱系數(shù)的影響。平均對(duì)流換熱系數(shù)與壁面熱流密度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)主流溫度大于擬臨界溫度時(shí)，由于壁溫迅速上升，主流流體與壁面的溫差增大，局部換熱系下降，對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線趨于一致。

圖3 熱流密度對(duì)超臨界CO2換熱流動(dòng)特性的影響

圖4表示了不同壓力下平均對(duì)流換熱系數(shù)隨主流溫度變化曲線。隨著壓力升高，平均對(duì)流換熱系數(shù)峰值不斷減小，其變化曲線趨于平緩，且因系統(tǒng)壓力越大擬臨界溫度越高，峰值不斷右移。

圖4 壓力對(duì)超臨界CO2換熱流動(dòng)特性的影響

(2)螺旋管與直管換熱性能對(duì)比

由圖5可知，直管與螺旋管沿流動(dòng)方向不同截面位置處的換熱情況不同。超臨界CO2在直管和螺旋管內(nèi)通過壁面不斷得到加熱，因此主流溫度沿流動(dòng)方向不斷升高，而二者相同位置處周向溫度分布卻存在差異。直圓管內(nèi)，溫度由壁面至管中心不斷減小，呈同心圓分布；螺旋管內(nèi)，由于浮升力與離心力作用，溫度場(chǎng)中溫度呈向左傾斜的對(duì)稱分布。

圖5 截面溫度場(chǎng)分布

圖6給出了質(zhì)量流速、壓力以及熱流密度對(duì)螺旋管和圓管換熱的影響。對(duì)比圖6（a）、（b）可知，直管和螺旋管內(nèi)超臨界CO2換熱能力由于質(zhì)量流速提高得到了增強(qiáng)，并且隨著質(zhì)量流速增大，二者換熱能力差異縮小，螺旋管相對(duì)于直管的對(duì)流換熱系數(shù)的平均提升率由7.4%下降到4.8%。對(duì)比圖6（a）、（c）可知，超臨界CO2換熱能力由于熱流密度增加得到了削弱，并且隨著熱流密度增加，二者換熱能力差異擴(kuò)大，螺旋管相對(duì)于直管的對(duì)流換熱系數(shù)的平均提升率由7.4%增加到8.6%。對(duì)比圖6（a）、（d）可知，隨著壓力提高，超臨界CO2對(duì)流換熱系數(shù)峰值均有減小，而由于擬臨界溫度處的定壓比熱容峰值減小，因此對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線愈加平緩。相對(duì)于直管，螺旋管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱系數(shù)的平均提升率由7.4%增加到11.2%。

3.結(jié)論

本文研究了豎直螺旋管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性及影響因素。主要結(jié)論如下：（1）隨著質(zhì)量流速增大和熱流密度減小，螺旋管內(nèi)超臨界CO2換熱得到增強(qiáng)。隨著壓力提高，平均對(duì)流換熱系數(shù)峰值減小，對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線趨于平緩，換熱過程趨于穩(wěn)定。（2）相比于直管，螺旋管能有效提高超臨界CO2對(duì)流換熱能力。在低質(zhì)量流速、高熱流、高壓力條件下，螺旋管傳熱強(qiáng)化的效果更加明顯。