摘 要

由于全球能源问题日趋严峻，温室效应不断加重，提高能源利用率以及处理二氧化碳的排放以及成为了当今世界聚焦的话题。随着科学技术的发展，人们对二氧化碳优异的热力学特征和超临界流体有了更深的认识。超临界二氧化碳由于其特殊的换热特性成为了目前小型换热器领域的热门研究对象，同时二氧化碳也是一种天然环保，经济的流体，在汽车，轮船，计算机冷却等空调制冷行业中也拥有极其广阔的应用前景。

由于超临界二氧化碳在其临界点附近物性变化剧烈，换热过程比较复杂，使用fluent等仿真软件来进行数值模拟实验也成为了主要研究途径之一。

本文研究了流动工况和流道结构对换热特性的影响。通过分析流道的表面温度云图，截面温度云图，换热系数曲线图等图表来分析超临界二氧化碳的换热特性。研究结果表明：

（1）在温度比较低的情况下，超临界二氧化碳受重力的影响比较明显，而当温度逐渐升高时，受到的热浮力会平衡部分重力。进口温度的增加会加快超临界二氧化碳的流动发展，更早得达到物性较稳定的状态，换热效果下降明显。

（2）在管径不变的情况下增加管道内的质量流率可以显著的提高超临界二氧化碳的换热能力，同时也能改善表面的温度状况。

（3）在微细管的尺度上改变管径大小对换热效果的影响并不明显。

（4）改变截面形状会大大改变表面的温度分布，对换热效果也有很明显的影响。三角形截面流道的换热能力明显高出正方形管和圆管，且其表面积和容积比也很高，能很好的适用于小型换热器的设计。

关键词：超临界二氧化碳 微细管 换热 数值模拟

Abstract

As the global energy problem and greenhouse effect become more and more serious, improving energy efficiency and dealing with carbon dioxide emissions has become a topic of focus in the world today. With the development of science and technology, people have a deeper understanding of the excellent thermodynamic characteristics of carbon dioxide and supercritical fluids. Supercritical carbon dioxide has become a hot research topic in the field of small heat exchangers due to its special heat transfer characteristics. Also carbon dioxide is a natural environmentally friendly and economical fluid. It has a promised future of application in air condition and refrigeration industries across automobile, vessel and computer cooling.

The heat transfer process of supercritical carbon dioxide is more complicated due to sharply changes near its critical point. The use of fluent and other simulation software for numerical simulation experiments has become one of the main research approaches.

This paper mainly introduces flow conditions and the influence of the flow path structure on the heat transfer characteristics. The heat transfer characteristics of supercritical carbon dioxide were analyzed by analyzing the surface temperature cloud map of the flow channel, the cross-section temperature cloud map, and the heat transfer coefficient graph. The results show that:

(1) In relatively low temperature, the supercritical carbon dioxide is more affected by gravity, and when the temperature is gradually increased, the thermal buoyancy will balance part of the gravity. The increase of the inlet temperature will accelerate the development of supercritical carbon dioxide flow, and the physical property will be stabilized earlier, and the heat transfer effect will be significantly reduced. (2) Increasing the mass flow rate in the pipe under the condition of constant pipe diameter can significantly improve the heat exchange capacity of supercritical carbon dioxide, and at the same time improve the surface temperature condition. (3) The effect of changing diameter of the tube on the scale of t micro tube has no obvious effect on the heat transfer effect. (4) Changing the cross-sectional shape greatly changes the temperature distribution of the surface, and has a significant effect on the heat transfer effect. The heat transfer capacity of the triangular cross-section flow channel is significantly higher than that of the square tube and the round tube, and its surface area and volume ratio are also high, which is well suited for the design of small heat exchangers.

Keywords : Supercritical carbon dioxide, micro-tube, heat transfer, numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.2.1国外研究现状分析 1

1.2.2国内发展状况 3

1.3 本文研究内容 4

第2章 超临界流体换热的理论基础与物理模型 5

2.1 CFD理论基础 5

2.1.1 CFD概述 5

2.1.2 湍流模型 5

2.1.3 变物性计算模拟 6

2.2 超临界流体 6

2.2.1 超临界流体定义 6

2.2.2 超临界流体的优点 6

2.2.3 超临界流体换热特点 7

2.3 超临界二氧化碳 7

2.3.1 超临界二氧化碳的优点 8

2.3.2 超临界二氧化碳物性分析 8

2.3.2 超临界CO₂热物理性质与算法选择 9

2.4 数学和物理模型 9

2.5 网格与边界条件的设定 10

2.6 本章小结 11

第3章 流动工况对光滑圆管内SCO₂换热特性的影响 13

3.1 进口温度对换热特性影响 13

3.1.1进口温度对温度分布的影响 13

3.1.2进口温度对表面换热系数的影响 15

3.2 质量流率对换热特性的影响 16

3.2.1质量流率对温度分布的影响 16

3.2.2质量流率对表面换热系数的影响 18

3.3 本章小结 20

第4章 流道结构对微通道内SCO₂换热特性的影响 21

4.1管径大小对换热特性的影响 21

4.1.1 管径大小对温度分布的影响 21

4.1.2 管径大小对换热系数的影响 23

4.2 流道形状对换热特性的影响 24

4.2.1 流道形状对温度分布的影响 26

4.2.2 流道形状对表面换热系数的影响 29

4.3 本章小结 30

第5章 结论与展望 32

5.1结论 32

5.2 未来工作的展望 32

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

氟里昂等空调制冷剂会严重破坏臭氧层，而且会促使温室效应加剧。这些工质被大量的应用在空调制冷领域，引起了社会各界人士的关注。因而，对环境不会造成很大影响的工质的需求大大增加。作为天然工质的二氧化碳并不会毁坏臭氧层，而且制冷循环的系统自身并不会产生二氧化碳，二氧化碳在整个系统中仅仅是工质，而且可以由工业废气和化学反应的副产物的回收得到^[1]。

但常温常压下的二氧化碳为气态，其本身作为换热介质的性质并不够优越。自1869年Thomos Andrew 第一次发现临界现象以来，超临界流体的换热技术应用已经涉及到化学、石油、环保、食品、生物技术、能源、分析等诸多领域，其中超临界流体及其传热换热性质一直是能源范围内研讨的焦点之一。超临界二氧化碳也因为超临界流体传热技术的发展而越来越受到重视。超临界流体和一般状态的气体、液体比较，在热物理性质上有着很大的差异。超临界流体具备与常态下的气体类似的粘度，而密度却与常态下的液体比较靠近。因而超临界流体拥有比较大的自扩散力和相对小的流动阻力^[2]。因为超临界流体本身拥有这些强大的优良性质，使得研究超临界二氧化碳越来越受到社会的关注。从上世纪60年代以来，得益于超临界流体优良的特性和社会的关注，超临界流体技术的发展取得了很大的进展^[3]。

微通道换热器于上世纪80年代开始发展，大部分应用在电子元器件的散热与换热，后逐渐应用到汽车空调等领域。技术迅速的发展与市场的膨胀导致了微通道换热器在家用及商用空调领域广泛应用。而微通道换热器，指的是水力当量直径小于1 mm的换热器。微通道换热器采用全铝结构制成，通常由具有多个平行小孔的扁管、铝带开窗折叠成型的翅片以及集流管组成。微通道换热器同现有的管式翅片换热器相比有换热效率高，体积小，重量轻，成本低，制冷剂充注量少等优点^[4]。微通道换热器以其高效的换热性能、较低的生产使用成本和紧凑的结构体积，越来越受到空调行业的关注^[5]，而研究超临界二氧化碳在微细管内的换热特性对微通道换热器的发展是必不可少的，因此对超临界二氧化碳在微细管内的换热特性开展专题研究对于空调行业具有重要意义。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1国外研究现状分析

国外对超临界二氧化碳传热研究起步较早,理论研究和实验成果丰富。自上世纪60年代以来，科学家们对超临界状态下水的传热规律进行了丰富而广泛的研究，开发出了超高热流密度换热技术，目前以广泛应用在各种锅炉和核电站中。^[6]。近年来，超临界二氧化碳在核反应堆的换热方面也获得了较大的研究进展，如Motoaki等^[7]基于使用超临界二氧化碳作为工作流体的微通道换热器（MCHE）的实验，得出了一组局部传热系数和压力损失系数的经验相关性。发现Nusselt数的相同相关性适用于两种流体，其值几乎是Dittus Boelter相关性的两倍。还表明，上述形式适用于各种几何形状，对于具有S形翅片的MCHE，在9~12.5MPa的压力范围和280~390K的温度范围内，在5％的误差内确认了两种相关性的准确性。基于相关性，还开发了换热器的设计方法。

Pandey等^[8]使用了超临界流体的双层热传递模型，使浮力和加速效果得到改善，然后用直接数值模拟（DNS）数据校准结果进行细化，并用可用的SCO2实验数据进行验证。对该模型在预测传热恶化的能力方面定性地改进，并且在平均相对误差的减少方面进行定量地改进。 还进行了参数研究以确定不同变量的影响。发现导热率和粘度对向SCO2的传热具有限制作用。对于给定的直径，入口温度和压力，传热随着质量流量而增加。对于给定的入口条件，具有较小直径的管具有较小的浮力效应。

因为流体在超临界状态下加热时并不会发生相变，气相和液相的分界面消失，工质直接是从液体状态转化为超临界状态，同时物性发生剧烈的变化。通用的传热经验关系式和亚临界状态下沸腾理论不能完全适用于超临界状态下流体的传热过程。而低于临界状态点的区域，部分专家认为这个范围可以看作是沸腾传热和对流传热的结合^[9]，可用传统的换热理论进行解释。针对临界点附近的热传递湍流，Takashi等^[10]使用基于与PROPATH结合的预处理方法的数值方法开发了超临界流体模拟器（SFS）。在几种温度条件下计算管中超临界二氧化碳的湍流将计算结果相互比较，并将传热系数与现有实验结果进行了比较。

Pucciarelli等^[11] 采用与AHFM模型相关联的k-ε湍流模型进行超临界压力流体传热的分析,用于计算浮力效应和湍流热通量。使用在管中流动的超临界二氧化碳的实验数据，其中操作条件有高低质量的通量值和从相对低的入口温度跨越到高于假临界阈值的值。模型正确地再现了实验数据中出现的一些有趣特征，该模型设法定性地和定量地预测了可靠的壁温趋势。

Rao等^[12]对超临界二氧化碳在不同的管型中的流动进行了大量的实验，描述了超临界二氧化碳的热流体特性对几个参数的依赖性：管直径，入口压力，入口质量通量，壁热通量和入口温度。主要结论总结如下：大多数研究（数值和实验）表明，传热系数在伪临界点附近达到峰值。而且，在临界点附近，压降最高。在冷却过程中，传热系数随着系统入口压力增加到临界压力以上而降低。当质量通量增加时，传热系数也降低。另一方面，在大多数研究中，观察到内管直径越小，传热系数越高。然而，很少有研究表明，当内管直径减小时，努塞尔数减少。当系统入口压力增加时，系统中的压降减小。然而，它随着质量通量的增加而增加。该综述对于确定超临界区域的二氧化碳的传热和流动特性非常有用。

Mohseni和Bazargan^[13]分别使用六种不同的低雷诺数κ-ε湍流模型模拟了超临界CO2和超临界水在管内的对流传热过程。模拟结果显示，六种湍流模型均能模拟出传热强化的存在，但传热系数的峰值会有所不同;与实验数据对比表明，运用CK、MK和CH湍流模型预测传热系数最佳。

1.2.2国内发展状况

国内对超临界二氧化碳传热研究起步较晚。饶政华和廖胜明^[14,15]利用数值模拟的方法分别对超临界二氧化碳在细微圆管、微通道冷却器和三角管中的流动与换热特性进行了研究。模拟结果表明，超临界二氧化碳在恒定热流密度的条件下在水平细微管中流动时，因为密度差产生的浮升力能够增强换热的作用；超临界二氧化碳在竖直微通道管中湍流流动时，增加质量流量或者升高管内外的温差时可以增大Ｍ数；提高压力、减小管径可以增大冷却器的换热效果；超临界二氧化碳在水平三角管内流动换热时，顶角向上的布置方法可以增加流动时的换热，临界点附近，顶角向下的方法也可以加强局部的换热效果。

张丽娜等^[16] 在冷却条件下对竖直管中超临界CO₂的传热特性进行了研究，利用数值模拟的方法，对在不同进口雷诺数管径大小和热流密度对超临界CO₂在竖直管中换热特性的影响进行了研究。湍流模型使用了低雷诺数YS模型。模拟结果显示，在临界温度区域比较大的截面。超临界二氧化碳局部传热系数达到最大值，同时管内传热受湍流雷诺数影响较大。

在先行研究中，对于超临界二氧化碳的流动和换热特性做了大量的研究。但是对于微细管内的特性研究还缺乏较为全面和细致的模拟实验，其结果对超临界二氧化碳高效紧凑式换热器的设计与优化有重要的意义。本文以超临界二氧化碳，微细管为研究对象，使用Fluent软件对对超临界二氧化碳（SCO₂）在微细管内流动换热进行数值模拟，掌握SCO₂在微细管内的传热特性，分析SCO₂在不同质量流率、热流密度、工作压力下的换热特性，以期建立合理的理论分析模型。

1.3 本文研究内容

以流体力学为理论基础，用有限体积法的分析方式，度对于以超临界二氧化碳为工质的微细管传热系数影响的数值模拟。超临界二氧化碳的热传输受多种因素的影响，在工程上人们往往希望以更低的设备成本获得更好的换热系数和更大的换热量。本文将从两个大的方面对影响超临界二氧化碳在微细管中换热状况的因素进行分析，分别是流动工况，包括质量流量，热流密度，进口温度等参数；和流道的结构，包括圆管的直径大小，管的形状等因素。

本文以超临界CO₂，1.2mm水平圆管直通道为研究对象，借助ANSYS Workbench分析软件，建立SCO₂微细管传热数值模拟的模型。探究超临界流体的进口温度，质量流率以及热流密度对微细管内超临界流体传热特性影响，以期建立合理的理论分析模型。同时也探究了相同水力直径的正方形和三角形管的换热特性及直径变化对圆管内流动的传热特性影

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