摘 要

柴油机作为船舶的一种主要动力装置，其做功后所排出的高温烟气通常还具有较高的热能，通过采用柴油机与燃气轮机的联合循环可以利用烟气废热以提高循环热效率。超临界二氧化碳作为工质借其工质密度大且粘性小、换热能力强和环境友好等优点，成为了联合动力装置中布雷顿循环的可靠选择。印刷电路板式换热器（PCHE）凭借其紧凑性、换热性能和流动性能等优点在超临界二氧化碳循环中得到了广泛的应用。

近年来，越来越多的学者开始尝试通过改进PCHE中的流道结构来提高换热器的紧凑性、换热性能和流动性能，本文通过参考自适应流道(即根据超临界态下的二氧化碳的密度随着温度的改变而有较大的变化而对流道的截面积进行相应的改变)的相关文献,使用FLUENT对PCHE中采用自适应流道对换热性能和水力性能的提升进行研究，主要工作如下：

（1）利用FLUENT对蛇形常规流道的流动与换热性能进行数值研究，探究了不同质量流量对蛇形常规流道PCHE内流体沿程流动与传热的影响。通过数值计算可以发现，随着质量流量的增大，导致冷流道中流体的流速也随之增大，使得流动过程中的涡流强度增大，因而导致冷流道中流体的总压降也随之增大；而冷流道内流体的湍流扰动增加，使得冷流的表面换热系数、表面努塞尔数随着增大，表面有效普朗特数随着减小，对流换热强度随着增大。

（2）利用FLUENT对蛇形自适应流道的流动与换热性能进行数值研究，探究了不同质量流量对蛇形自适应流道PCHE内流体沿程流动与传热的影响，并与蛇形常规流道PCHE进行对比。通过数值计算可以发现，蛇形自适应流道的流动与换热性能随质量流量的变化趋势与蛇形常规流道PCHE相同，且相比蛇形常规流道PCHE，流道进出口的压降可以减小约50％，温差可以增大0.5～1.5℃，即PCHE的换热性能和流动性能得到了有效提升。

（3）利用FLUENT对蛇形自适应流道的流动与换热性能进行数值研究，探究了不同渐扩比对蛇形自适应流道PCHE内流体沿程流动与传热的影响。通过数值计算可以发现，在本文的研究范围内，流道的进出口压降随着渐扩比的增大而随之减小，而温差则会随着渐扩比的增大出现先增大后减小的变化趋势，且在渐扩比与流道进出口处工质的比体积的比值相近时换热性能最强，温差最大。

关键词： 超临界二氧化碳;印刷电路板式换热器（PCHE）;自适应流道;数值模拟；压降和温差

ABSTRACT

As the main power plant of ships, diesel engine exhausts a large amount of high-temperature exhausted gas which has high available thermal energy without effective utilization. By combining high-temperature waste heat recovery technologies with supercritical CO2 Brayton cycle, the thermal efficiency of diesel engine could be improved greatly. Supercritical carbon dioxide (SCO2), a kind of working fluid, has become a reliable choice for Brayton cycle because of its high density, low viscosity, high heat transfer efficiency and Environment friendly performance. Meanwhile, Printed circuit heat exchanger(PCHE) has been widely used in supercritical carbon dioxide cycle due to its high compactness, heat transfer performance and hydraulic performance.

In recent years, more and more researchers have begun to improve the compactness, heat transfer performance and hydraulic performance of heat exchangers by developing the channel structure in PCHE. This paper use FLUENT to investigate the heat transfer performance and hydraulic performance of PCHE with S-shaped adaptive flow channel by referring to the relevant literature (namely according to the fact that the density of carbon dioxide in supercritical state varies greatly with the change of temperature). The main works are as follows:

(1) FLUENT was used to study the hydraulic and heat transfer performance of the S-shaped conventional channel numerically, and the influence of mass flow rate on the hydraulic and heat transfer of the PCHE with the S-shaped conventional channel was explored. Through numerical simulation, it can be found that with the increase of mass flow rate, the velocity of the fluid in the cold channel increases, and then the vortex intensity in the flow process increases ,so the total pressure drop of the fluid in the cold channel also increases; besides, the turbulent disturbance of the fluid in the cold channel also increases, which makes the surface heat transfer coefficient, the Nusselt number and the surface effective Prandtl number of the cold channel increases. The convective heat transfer intensity increases with the decrease of Langer number.

(2) FLUENT was used to study the hydraulic and heat transfer performance of the S-shaped adaptive channel numerically, and the influence of mass flow rate on the hydraulic and heat transfer of the PCHE with the S-shaped adaptive channel was explored and compared with that of the PCHE with the S-shaped conventional channel. Through numerical simulation, it can be found that the influence of mass flow rate on the hydraulic and heat transfer performance of S-shaped adaptive channel works in the same way as that of S-shaped conventional channel PCHE. Compared with S-shaped conventional channel PCHE, the total pressure drop at the inlet and outlet of the channel can be reduced by about 50%, and the temperature difference can be increased from 0.5℃ to 1.5℃. That is to say, the heat transfer and hydraulic performance of PCHE has been effectively improved.

(3) FLUENT was used to study the hydraulic and heat transfer performance of the S-shaped adaptive channel numerically, and the effects of different gradual expansion ratios on hydraulic and heat transfer in S-shaped adaptive channel PCHE were investigated. Through numerical simulation, it can be found that the total pressure drop at the inlet and outlet of the channels decreases with the increase of the gradual expansion ratios, while the temperature difference increases to the top first and then decreases with the increase of the gradual expansion ratios, and the heat transfer performance is the strongest when the gradual expansion ratios is close to the specific volume ratio of the working fluid at the inlet and outlet of the channels.

Keywords: supercritical carbon dioxide, printed circuit heat exchanger(PCHE), adaptive channel, numerical simulation, the total pressure drop and temperature difference

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 超临界二氧化碳的物性和流动与传热特点 2

1.3 PCHE的研究现状 4

1.4 流道形状及结构对 PCHE 流动与换热特性影响的国内外研究现状 5

1.4.1 国外研究现状 5

1.4.2 国内研究现状 6

1.5 本文主要研究内容 7

第二章 PCHE内流动与换热的理论分析与计算流体力学基础 8

2.1 对流换热的理论基础 8

2.2 强化换热的理论基础 9

2.3 计算流体力学基础 10

2.3.1 计算流体力学简介 10

2.3.2 FLUENT软件基础知识 11

2.3.3 控制方程 11

2.4 使用FLUENT模拟超临界流体换热的设定 13

2.4.1 湍流模型选用 13

2.4.2 调用超临界流体材料的方法 14

2.4.4 计算方法与收敛准则 14

2.5 本章小结 15

第三章 蛇型流道的流动特性与传热特性 16

3.1 几何模型构建 16

3.3 网格无关性 19

3.4 模型相关参数设定 21

3.5 不同进口质量流量对蛇形流道PCHE内流体沿程流动与传热的影响 22

3.5.1 不同进口质量流量对蛇形流道中心线沿程压降与温差的影响 24

3.5.2 不同进口质量流量对蛇形流道中心线沿程表面换热系数及部分无量纲数的影响 27

3.6 本章小结 29

第四章 蛇形自适应流道的流动特性与传热特性 30

4.1 几何模型构建 30

4.2 网格划分 32

4.3 边界条件设定 33

4.4 不同进口质量流量下自适应流道与常规流道的温差与压降的对比 33

4.5 不同渐扩比下自适应流道对PCHE流动与传热的影响 35

4.5.1 不同渐扩比下自适应流道对流体进出口温差与压降的对比 35

4.5.2不同渐扩比下自适应流道对流体中心线沿程表面换热系数与部分无量纲数的对比 37

4.6 本章小结 39

第五章 结论与展望 40

5.1 结论 40

5.2 未来工作的展望 40

参考文献 41

致谢 44

第一章 绪论

1.1 研究背景

世界范围内不断上升的能源需求增大了人们对已经存在的环境问题的忧虑，如全球变暖，空气污染，臭氧层的破坏等。结果是，对于更加高效且绿色的能源转换系统的需求出现了。近年来，一种高效绿色的节能技术正在得到更多的关注，即将船舶柴油机高温排气的余热通过烟气回热器进行回收，进一步提高船舶柴油机的工作热效率，并将所回收的余热和以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环进行联合，用来完成船舶辅助发。

超临界二氧化碳布雷顿循环是目前最具发展前景的一种能量转换系统之一，并且在船舶动力、太阳能、核能、燃料电池等多个领域内有着广泛的应用。该循环所包含的主要热工设备为回热器、涡轮机、压缩机、热源和预冷器等，主要涉及回热过程、膨胀过程、压缩过程、加热过程和预冷过程等。

在1950年，最早提出了超临界二氧化碳布雷顿循环的概念。提出在循环过程加入了回热与再压缩过程，通过实验与分析得出压缩机应用于液态的再压缩循环可以得到更高的工作效率，指出了超临界二氧化碳布雷顿循环过程中存在夹点问题并提出了解决方案，使得超临界二氧化碳布雷顿循环的实际应用得到了初步的完善。近年来，超临界二氧化碳布雷顿循环在不同领域得到了广泛的关注与研究,核心部件小型压缩机、透平等机械的综合设计、数值分析及实验研究均有涵

作为一种能够达到绿色高效的热电转换的循环动力方式，超临界二氧化碳布雷顿循环以二氧化碳作为循环工质，通过布雷顿循环来实现能量的转换，循环可利用的热源温度范围广(400℃～700℃)。循环工质无毒、绿色、环境友好、成本低廉，在整个循环过程中始终处于超临界，同时具备了液态二氧化碳特性，即工质密度大、做功能力强，换热性能强，又具备了气态二氧化碳的特性，即工质的流动性强、粘度小，工质在系统循环过程的压降损耗较 。

超临界二氧化碳布雷顿循环的一个主要优势在于它结合朗肯循环和布雷顿循环最大的优点，包括朗肯循环基于临界点附近介质密度的变化较少而使得消耗的压缩功较少的有点和布雷顿循环汽轮机入口处工质的处温较高的优点。除此之外，超临界二氧化碳布雷顿循环运行的工况在工质二氧化碳的临界压力之上。超临界二氧化碳布雷顿循环的特点除去了对冷凝系统的需求，使得动力装置的布局变得更加精简。同时，循环运行的高压意味着系统的部件以及系统的整体尺寸必须要非常 。

许多学者通过对以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环的主要参数进行了数值研究及分析优化,发现回热器的压力损失和换热效率对整个循环的工作效率具有显著的影 。除此之外，回热器是以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环中所包含的数量最多且体积最大的设备，所消耗的成本占整体系统全部成本的一半以上，并且对于整个系统的安全稳定运行起到了重要的作用。因此，如何提高超临界二氧化碳布雷顿循环中回热器的工作稳定性能并且提高其结构紧凑性具有很高的研究价值与应用前景。

1.2 超临界二氧化碳的物性和流动与传热特点

对于绝大多数不同的物质，在不同处于的压力、温度及比体积时，会由于自身性质的变化而呈现出固态、液态和气态三种物相状态，称为物的三相。在热力学中，对于不同的物质，各自存在一个特定的温度及压力数值，此时各种化学性质的纯物质同时存在固态、液态和气态三态，各相之间处于平衡状态，且存在明显的分界面。

除此之外，对于分子量不是很大的性质较为稳定的物质来说，存在一个较为特殊的温度点和压力点。当物质的压力大于这个压力点时，无论如何提高温度时，物质在液态时都无法被汽化。当物质的温度大于这个温度点时，无论如何增大压力，物质在气态时都无法被液化。热力学上将这个点称为临界点，对应的压力和温度成为临界压力和临界温度。物质的温度和压力越接近于临界点，则物质在饱和液态和干饱和气态时的物理性质之间的差距就越小。当物质的压力和温度同时大于临界压力和临界温度时，物质的状态就变成了超临界态，此时物质既不属于液态，也不属于气态，但又同时具备液态与气态的部分性质，被称为超临界流体。

临界状态是物质的液态与气态可以同时达到平衡状态时的一种极限情况，在这种状态下，物质的饱和液态与与其干饱和蒸汽态时的比体积相同，因而分界面消失。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：