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光滑方环管内超临界水流动与传热特性数值计算研究
摘要：
本文运用计算流体力学方法，对光滑方环管内超临界水流动与传热特性进行了数值模拟研究。研究结果表明，在超临界状态下，水流的流动特性和传热性能与亚临界状态下有显著的区别，包括涡流结构和摩擦因数等方面。此外，流动和传热的强度也会随着压力的升高而增强，但当超临界压力达到一定值时，强度增强率开始减缓，并且传热效率会下降。因此，超临界条件下的水流和传热特性应该结合实际情况来进行优化调节。
关键词:
计算流体力学；超临界水流；方环管；传热特性；优化调节
Abstract：
Inthispaper,computationalfluiddynamicsmethodwasusedtosimulatetheflowandheattransfercharacteristicsofsupercriticalwaterinasmoothsquareduct.Theresultsshowedthattheflowandheattransfercharacteristicsofwaterinsupercriticalstateweresignificantlydifferentfromthoseinthesubcriticalstate,includingvortexstructureandfrictioncoefficient.Moreover,theintensityofflowandheattransferwouldincreasewiththeincreaseofpressure,butwhenthepressurereachedacertainvalue,theenhancementrateofintensitywouldbegintoslowdownandtheheattransferefficiencywoulddecrease.Therefore,theflowandheattransfercharacteristicsundersupercriticalconditionsshouldbeoptimizedaccordingtotheactualsituation.
Keywords:
Computationalfluiddynamics;supercriticalwaterflow;squareduct;heattransfercharacteristics;optimizationadjustment
正文：
1.引言
超临界流体作为一种新颖的流体介质，具有许多优异的物理性质，例如高压，高密度，高温度以及高传热效率等。因此，它在能源工程，环境保护和化工等领域中应用非常广泛。然而，超临界流体在流动和传热方面的问题仍然存在许多挑战性和困难性的问题，如与壁面的相互作用，流动不稳定性等。为了更好地理解超临界流体的流动特性和传热机理，许多学者尝试使用计算流体力学方法进行数值模拟研究。
2.研究方法
本文采用计算流体力学方法，建立了光滑方环管内超临界水流动和传热过程的数学模型，采用Fluent软件对其进行模拟研究。在数值计算过程中，选用了四元组(SOPE)方程组作为超临界水的状态方程，并采用标准k-ε湍流模型来描述流动的湍流特性。另外，在边界条件的设定中，壁面的温度和热流量分别被设置为恒定值。通过对模型的数值计算，研究了超临界水的流动特性和传热机理，并对其进行了分析和总结。
3.结果和讨论
在超临界状态下，超临界水的流动和传热特性与亚临界状态下有很大的区别。首先，在相同条件下，超临界水的流量比亚临界流量更大，而摩擦因数则比亚临界状态下小。除此之外，通过对流线和压力分布的分析，发现超临界水的流动呈现出结构更为复杂的涡流状态，同时支持较短的流程，这样可以增加传热系数。
其次，在不同超临界压力条件下，水在方环管内的流量和传热性能研究结果表明，随着超临界压力的升高，传热量和摩擦因素也会随之增强，但是增强率会逐渐趋于缓慢。而当超临界压力达到一定值时，传热率会下降，这是因为超临界的状态下，管壁和水之间的传热机制变得更加复杂，产生乎不可思议的少量热阻现象。
4.多个超临界压力条件下的流量和传热性能的数值研究
一般情况下在光滑方环管内用流量Q和进口温度T_h作为控制参数，当压力高于某阈值时，进口温度的变化也不太影响流量，压力和温度等其他参数，并且包括管道局部热边界条件、壁温度和热流条件，这些参数均采取与方环管内相同的值。经计算可以获得各种参数下的热流、温升率和摩擦因素，其基本规律如图所示。当压力从临界状态向上变化时，热流、温升率和摩擦因数均随之增大，但增速会逐渐缓慢并趋于稳定，而当压力达到一定范围时，传热量和摩擦因素的值则可能会随着压力的进一步提高而逐渐变得不稳定或下降。总体来说，压力的提高会增强水流与壁的相互