超临界二氧化碳水平管内传热的数值模拟及与实验对比

　　0 引 言

　　由于氯氟烃以及氢氯氟烃等制冷剂对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应,二氧化碳以其优良的环保特性和良好的传热性质被重新引入到制冷热泵行业中 来。超临界二氧化碳在管内冷却的实验研究表明压力、质量流量、热流密度对换热系数都有不同程度的影响。由于在超临界压力条件下CO₂的热物性随温度和压力的变化比在亚临界压力条件下更加剧烈,相应的传热过程也更加复杂;而二氧化碳超临界状况下的换热由于压力很高,直接测量其管内温度和压力分布具有一定困难,本文采用数值模拟与实验对比的方法对其进行分析。Liao等对超临界CO₂在微细管道中的换热特性进行了数值模拟^[1-4],对不同内径的圆管进行了实验研究;得到了相应的速度、温度和努塞尔数曲线及平均换热系数。结果表明Nu随管径减小而显著下降。

　　本文利用FLUENT软件模拟了超临界二氧化碳在8、10MPa,流量为3.4、6.8g/s时,在管径6mm,壁厚1.1mm,长400mm的管中流动的状况;并将10MPa、3.4g/s的模拟结果与实验所得数据进行了比较。

　　1 数学模型

　　采用k-ε紊流模型,它是平均紊流能量模型中的一种双方程模型^[5];直接使用原始变量,即可直接用于P-V法,在三维不可压定常情况下,k-ε紊流湍流模型的基本方程为

　　连续方程:

　　雷诺方程:

　　紊流能量的输送方程:

　　紊流能量的耗散率方程:

　　能量方程:

　　其中,

　　式(1)~(6)中的常数分别为

　　离散方法采用交错网格的控制容积法。将紊流方程组改写为无量纲的形式,采用SIMPLE算法通过连续性方程建立了一个速度压力耦合的离散方程组。

　　2 超临界CO₂管内流动的FLUENT模拟

　　2.1 Gambit建立的计算模型

　　为研究CO₂在超临界状态下被外部冷却的传热过程,选取了以下几个工况进行分析。CO₂在水平管内流动外部被水冷却,压力为8、10MPa,流量为3.4、6.8g/s,忽略浮升力作用,边界条件为恒热流密度。数值模拟中的物理模型为实验段水平单管,管长为400mm,外管径为6mm,壁厚为1.1mm,管壁材料为1Cr18Ni9Ti,详细实验见文献^[6]。

　　由于CO₂在超临界状态下其物性是变化的,FLUENT数值计算对此有其局限性;在计算时每个工况分为三段进行,即以准 临界点为分界线划分为三个区,准临界以上、准临界点附近和准临界点以下。在实验中测得流体的进出口温差为3.0~4.0°C,因此可以认为在每段内的物性 变化为常数。通过迭代计算,得出其出口温度、管子中心位置处流体、壁面的温度以及整个管壁的温度变化。