變湍流Prandtl數(shù)模型在垂直上升管內(nèi)超臨界水傳熱數(shù)值模擬中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2022-01-03 12:18
為了準確地預(yù)測超臨界壓力水的傳熱惡化（HTD）,本文分析了湍流Prandtl數(shù)（Prt）對超臨界壓力水傳熱的影響。在理論研究的基礎(chǔ)上,提出了一種與物理性質(zhì)相關(guān)的可變Prt模型。利用所提出的Prt模型以及其他2個先前的Prt模型和2個常數(shù)Prt模型對垂直上升加熱管內(nèi)超臨界水傳熱進行了數(shù)值模擬,通過與文獻中的2組傳熱惡化工況下的實驗數(shù)據(jù)進行對比評估,發(fā)現(xiàn)本文所提出模型能更準確地預(yù)測壁溫。
【文章來源】：熱力發(fā)電. 2020,49(07)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
垂直上升管物理模型
展的湍流核心區(qū)，流體的t很大，導(dǎo)致t/很大，此時(t/)/Prt遠大于(1/Pr)，分子項對傳熱的影響可以忽略。相關(guān)實驗表明，在湍流核心區(qū)，Prt被確定為約等于0.85的常數(shù)[9]；在介于二者之間的區(qū)域，即過渡層、對數(shù)律層與湍流核心區(qū)的前端，分子項與湍流項對傳熱的貢獻程度相當，而Prt的大小決定了湍流項(t/)/Prt的大小，所以需要仔細地確定該層Prt的大校方程(10)的右側(cè)是能量方程的擴散項，隨著Prt的增加，能量擴散項將減少，所預(yù)測的壁溫值將會增高。圖3使用不同常數(shù)值Prt的SSTk-模型來預(yù)測垂直光管中超臨界水向上流動的壁溫。由圖3可以看出：隨著Prt的增加，所預(yù)測的壁溫迅速增高，與理論分析一致；當使用Prt為0.85時，壁溫飛升值遠小于實驗值，且發(fā)生HTD的位置偏后；當使用Prt為0.95時雖然整體趨勢與HTD的位置與實驗值比較符合，但是壁溫飛升值大大超過實驗壁溫，這表明約等于1的常數(shù)Prt不再適用，將Prt視為常數(shù)是不合理的。圖3使用不同常數(shù)值Prt的壁溫預(yù)測值Fig.3ThepredictedvaluesofwalltemperaturebyusingdifferentconstantvaluesofPrt為進一步研究Prt對HTD現(xiàn)象特別是對壁溫飛升值的影響，首先需要了解管道橫截面流體的重要參數(shù)（流體密度，分子普朗特數(shù)Pr，湍流動力黏度比t/及湍動能k等）沿管徑方向的變化情況，選取Prt=0.85模擬Ackerman等人文獻[16]中發(fā)生強烈HTD現(xiàn)象的實驗工況（p=24.8MPa，G=407kg/(m2·s)，q=315kW/m2），用以探尋各參數(shù)的變化規(guī)律。選取模擬結(jié)果中HTD現(xiàn)象最嚴重時的流體截面為M
102熱力發(fā)電2020年http://www.rlfd.com.cn圖4Prt=0.85時垂直上升管各截面參數(shù)變化(HTD)Fig.4Variationsofcross-sectionparameters(HTD)ofverticaltubewhenPrt=0.85由圖4a)可以看出，在y+<5和y+>100的區(qū)域中流體密度稍有變化，而在y+=5~100的區(qū)域中，流體密度的變化十分劇烈，從氣體狀態(tài)值變?yōu)橐后w狀態(tài)值。由圖4b)可以看出，壁溫飛升最明顯的M截面和下游恢復(fù)區(qū)的N截面的Pr值出現(xiàn)了明顯的峰值，其位置約在y+=5~100之間；說明在過渡層、對數(shù)律層以及湍流核心區(qū)的前部分的Pr較大，而Pr值的增大意味著1/Pr值的減小，即分子熱傳導(dǎo)項對傳熱貢獻較低，但是由于Prt為常數(shù)，Pr值對傳熱的影響不能有效地表現(xiàn)出來。同樣地，由圖4c)可以看出，在y+=5~100范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)M截面的t/值相比于其他兩個截面要小，對應(yīng)到圖4d)相同區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)M截面的k值相比于其他兩個截面要小，湍動能的減小導(dǎo)致了HTD現(xiàn)象的發(fā)生。圖4d)還表明了Prt=0.85模擬可以再現(xiàn)湍動能的衰減和恢復(fù)，然而，Prt=0.85不能再現(xiàn)傳熱特性，因為它低估了湍流減少對傳熱的影響，因此模擬的壁溫較低。這些特征表明Prt應(yīng)該與流動參數(shù)以及物性相關(guān)。因此Prt值在y+=5~100區(qū)域內(nèi)不應(yīng)是常數(shù)，而是一個與t/和Pr有關(guān)的變量。2變Prt模型及傳熱惡化機理分析2.1變Prt模型上述分析奠定了Prt表達式的基礎(chǔ)，在提出用于模擬超臨界水垂直上升流傳熱的可變Prt模型時，需要考慮以下因素。1）Prt對預(yù)測的壁溫值有強烈的影響。Prt的增加導(dǎo)致能量擴散項的?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于分段改進S變換的復(fù)合電能質(zhì)量擾動識別[J]. 楊劍鋒,姜爽,石戈戈. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2019(09)
[2]計及燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的熱電聯(lián)合調(diào)度模型[J]. 楊凱淇,許丹,謝華寶,丁強,胡林獻. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2019(08)
[3]基于云平臺的發(fā)電機組節(jié)能減排實時監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 鄭中原,趙鵬,姜玲,張佳成,于金山. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2019(07)
[4]考慮需求側(cè)協(xié)同響應(yīng)的熱電聯(lián)供微網(wǎng)多目標規(guī)劃[J]. 劉輝,劉強,張立,周中鋒. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2019(05)
[5]螺旋管圈內(nèi)螺紋管內(nèi)上母線處超臨界水傳熱關(guān)聯(lián)式建立[J]. 郭宇朦,李會雄. 熱力發(fā)電. 2018(10)
[6]Study of Variable Turbulent Prandtl Number Model for Heat Transfer to Supercritical Fluids in Vertical Tubes[J]. TIAN Ran,DAI Xiaoye,WANG Dabiao,SHI Lin. Journal of Thermal Science. 2018(03)
[7]基于無量綱結(jié)構(gòu)因子的低質(zhì)量流速內(nèi)螺紋管中超臨界水流動和傳熱性能分析[J]. 李舟航,唐國力,吳玉新,呂俊復(fù),李瑞欣. 中國電機工程學(xué)報. 2018(10)
[8]700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 劉入維,肖平,鐘犁,江建忠,徐正泉. 熱力發(fā)電. 2017(09)
本文編號：3566265
【文章來源】：熱力發(fā)電. 2020,49(07)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
垂直上升管物理模型
展的湍流核心區(qū)，流體的t很大，導(dǎo)致t/很大，此時(t/)/Prt遠大于(1/Pr)，分子項對傳熱的影響可以忽略。相關(guān)實驗表明，在湍流核心區(qū)，Prt被確定為約等于0.85的常數(shù)[9]；在介于二者之間的區(qū)域，即過渡層、對數(shù)律層與湍流核心區(qū)的前端，分子項與湍流項對傳熱的貢獻程度相當，而Prt的大小決定了湍流項(t/)/Prt的大小，所以需要仔細地確定該層Prt的大校方程(10)的右側(cè)是能量方程的擴散項，隨著Prt的增加，能量擴散項將減少，所預(yù)測的壁溫值將會增高。圖3使用不同常數(shù)值Prt的SSTk-模型來預(yù)測垂直光管中超臨界水向上流動的壁溫。由圖3可以看出：隨著Prt的增加，所預(yù)測的壁溫迅速增高，與理論分析一致；當使用Prt為0.85時，壁溫飛升值遠小于實驗值，且發(fā)生HTD的位置偏后；當使用Prt為0.95時雖然整體趨勢與HTD的位置與實驗值比較符合，但是壁溫飛升值大大超過實驗壁溫，這表明約等于1的常數(shù)Prt不再適用，將Prt視為常數(shù)是不合理的。圖3使用不同常數(shù)值Prt的壁溫預(yù)測值Fig.3ThepredictedvaluesofwalltemperaturebyusingdifferentconstantvaluesofPrt為進一步研究Prt對HTD現(xiàn)象特別是對壁溫飛升值的影響，首先需要了解管道橫截面流體的重要參數(shù)（流體密度，分子普朗特數(shù)Pr，湍流動力黏度比t/及湍動能k等）沿管徑方向的變化情況，選取Prt=0.85模擬Ackerman等人文獻[16]中發(fā)生強烈HTD現(xiàn)象的實驗工況（p=24.8MPa，G=407kg/(m2·s)，q=315kW/m2），用以探尋各參數(shù)的變化規(guī)律。選取模擬結(jié)果中HTD現(xiàn)象最嚴重時的流體截面為M
102熱力發(fā)電2020年http://www.rlfd.com.cn圖4Prt=0.85時垂直上升管各截面參數(shù)變化(HTD)Fig.4Variationsofcross-sectionparameters(HTD)ofverticaltubewhenPrt=0.85由圖4a)可以看出，在y+<5和y+>100的區(qū)域中流體密度稍有變化，而在y+=5~100的區(qū)域中，流體密度的變化十分劇烈，從氣體狀態(tài)值變?yōu)橐后w狀態(tài)值。由圖4b)可以看出，壁溫飛升最明顯的M截面和下游恢復(fù)區(qū)的N截面的Pr值出現(xiàn)了明顯的峰值，其位置約在y+=5~100之間；說明在過渡層、對數(shù)律層以及湍流核心區(qū)的前部分的Pr較大，而Pr值的增大意味著1/Pr值的減小，即分子熱傳導(dǎo)項對傳熱貢獻較低，但是由于Prt為常數(shù)，Pr值對傳熱的影響不能有效地表現(xiàn)出來。同樣地，由圖4c)可以看出，在y+=5~100范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)M截面的t/值相比于其他兩個截面要小，對應(yīng)到圖4d)相同區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)M截面的k值相比于其他兩個截面要小，湍動能的減小導(dǎo)致了HTD現(xiàn)象的發(fā)生。圖4d)還表明了Prt=0.85模擬可以再現(xiàn)湍動能的衰減和恢復(fù)，然而，Prt=0.85不能再現(xiàn)傳熱特性，因為它低估了湍流減少對傳熱的影響，因此模擬的壁溫較低。這些特征表明Prt應(yīng)該與流動參數(shù)以及物性相關(guān)。因此Prt值在y+=5~100區(qū)域內(nèi)不應(yīng)是常數(shù)，而是一個與t/和Pr有關(guān)的變量。2變Prt模型及傳熱惡化機理分析2.1變Prt模型上述分析奠定了Prt表達式的基礎(chǔ)，在提出用于模擬超臨界水垂直上升流傳熱的可變Prt模型時，需要考慮以下因素。1）Prt對預(yù)測的壁溫值有強烈的影響。Prt的增加導(dǎo)致能量擴散項的?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于分段改進S變換的復(fù)合電能質(zhì)量擾動識別[J]. 楊劍鋒,姜爽,石戈戈. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2019(09)
[2]計及燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的熱電聯(lián)合調(diào)度模型[J]. 楊凱淇,許丹,謝華寶,丁強,胡林獻. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2019(08)
[3]基于云平臺的發(fā)電機組節(jié)能減排實時監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 鄭中原,趙鵬,姜玲,張佳成,于金山. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2019(07)
[4]考慮需求側(cè)協(xié)同響應(yīng)的熱電聯(lián)供微網(wǎng)多目標規(guī)劃[J]. 劉輝,劉強,張立,周中鋒. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2019(05)
[5]螺旋管圈內(nèi)螺紋管內(nèi)上母線處超臨界水傳熱關(guān)聯(lián)式建立[J]. 郭宇朦,李會雄. 熱力發(fā)電. 2018(10)
[6]Study of Variable Turbulent Prandtl Number Model for Heat Transfer to Supercritical Fluids in Vertical Tubes[J]. TIAN Ran,DAI Xiaoye,WANG Dabiao,SHI Lin. Journal of Thermal Science. 2018(03)
[7]基于無量綱結(jié)構(gòu)因子的低質(zhì)量流速內(nèi)螺紋管中超臨界水流動和傳熱性能分析[J]. 李舟航,唐國力,吳玉新,呂俊復(fù),李瑞欣. 中國電機工程學(xué)報. 2018(10)
[8]700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 劉入維,肖平,鐘犁,江建忠,徐正泉. 熱力發(fā)電. 2017(09)
本文編號：3566265
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