圆管内超临界氮垂直向下流动与传热特性研究

摘要

进入21世纪，能源领域、航空航天、生命科学、医疗护理、新型材料等应用工程飞速发展，设备功率逐渐提高相应的热负荷也不断提高，传热学作为基础学科也相应面临着前所未有的挑战，寻找高效而可靠的冷却手段应对热负荷的挑战迫在眉睫。超临界流体由于在流动和传热方面具有与其他状态流体不同的特性，使得超临界流体在化学工程、航天技术、动力工程、超导体冷却等相关领域有着广泛应用或潜在的应用价值，因此越来越多的科研人员将研究内容转向超临界流体换热。目前国内外对超临界CO2和水进行较多研究，而超临界氮的基础研究相比之下较少。 因此本文对圆管内超临界氮竖直向下流动换热进行研究，重点分析质量流速、热流密度、系统压力等系统参数对超临界氮换热特性的影响，并从浮升力和热加速度角度对换热特性进行分析，深入机理研究；同时分析了管径因素对超临界氮换热的影响。 通过对质量流速、热流密度、系统压力等系统参数的多组工况进行模拟与对比，从换热系数、浮升力、热加速度、边界层效应等诸多方面对超临界氮换热特性进行分析。结果表明：系统压力不同时，换热系数随主流温度先增加达到峰值而后下降，给予更高的系统压力，换热系数的峰值出现向后移动的趋势，换热系数整体出现下降的趋势。且发现给予更高的质量流量会使得换热效果更好，换热强化效果更明显。在下降流动过程中，所产生的浮升力会抑制换热，使得流体换热向传热恶化趋势进行，因此热流密度越大时，相应的换热系数越低。而与此同时高质量流速的情况下浮升力准则数Bo*小于阈值，对换热的影响忽略不计，可以有效地抑制传热恶化。同时热加速度准则数Kv低于阈值，在竖直向下流动过程中热加速度对换热的作用效果不明显忽略不计。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 超临界流体换热特点

1.2.1 超临界流体特性

1.2.2 超临界氮物性变化规律

1.3 超临界流体流动与换热研究

1.3.1 超临界CO2

1.3.2 超临界水

1.3.3 其他超临界流体

1.4 本文主要工作

2 竖直圆管内超临界氮对流换热数值模型

2.1 控制方程

2.2 湍流计算模型

2.3 数值计算模型及网格划分

2.4 数值方法及网格无关性验证

2.4.1 超临界水数值模拟对比验证

2.4.2 超临界CO2数值模拟对比验证

2.4.3 超临界氮数值模拟对比验证

2.4.4 网格无关性验证

2.5 本章小结

3 圆管内超临界氮垂直向下流动与传热特性研究

3.1 热流密度影响

3.1.1 低质量流速条件

3.1.2 高质量流速条件

3.2 系统压力影响

3.2.1 低质量流速条件

3.2.2 高质量流速条件

3.3 质量流速影响

3.3.1 低热流密度条件

3.3.2 高热流密度条件

3.4 管径尺寸影响

3.4.1 低系统压力条件

3.4.2 高系统压力条件

3.5 本章小结

4 超临界氮换热特性机理分析

4.1 边界层效应

4.2 浮升力效应

4.2.1 低质量流速条件

4.2.2 高质量流速条件

4.3 热加速度效应

4.3.1 低质量流速条件

4.3.2 高质量流速条件

4.4 本章小结

结论

展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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