微通道内超临界氮的流动与传热特性研究

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1、申请上海交通大学硕士学位论文微通道内超临界氮的流动与传热特性研究硕士研究生：黄禹指导教师：张鹏教授博士上海交通大学机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所2010年2月DissertationSubmittedForMasterDegreeFlowandheattransfercharacteristicsofsupercriticalnitrogeninmini-tubesByMasterCandidate:HuangYuAdvisedbyProf.Dr.ZhangPengInstituteofRefrig

2、eration&CryogenicsSchoolofMechanical&PowerEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityFebruary,2010上海交通大学硕士学位论文摘要微通道内超临界氮的流动与传热特性研究摘要超临界流体由于其在超临界状态时具有特殊的流动与传热性能，被广泛应用于动力工程、化学工程、超导体冷却、航天技术等高新技术领域，对超临界流体换热的研究,受到越来越多的重视。目前国内外研究超临界流体主要集中于CO2和水，关于超临界氮的研究很少，本文首先分析总结了前人

3、关于超临界流体在管内流动与换热的研究，由于超临界氮研究的重要性，设计并搭建了研究超临界氮流动与传热特性的实验台，介绍了实验测量、数据处理方法以及进行实验系统不确定度分析，从而保证测量和推导结果准确可靠。在实验段长度为220mm，内径为2mm的竖直细圆管内进行了向上流动的超临界对流换热实验，讨论了不同的热流密度、质量流量和进口温度对壁面温度分布以及压降的影响，并用浮升力和热加速准则解释了其中的一些热流体现象。实验过程中还发现壁面温度振荡现象，解释了该现象发生的原因，并讨论了热流密度和质量流量对振荡的影响。将实

4、验结果与经验公式的计算结果进行比较，分析了经验公式预测Nu数和摩擦因子f的适用性。并针对实验工况进行了数值计算，预测了沿程局部温度分布和压降，与实验数据进行比较，得到了较好的吻合程度，还计算了不同工况条件下管内流体的速度分布，分析了变物性和浮升力对管内流体速度分布的影响，并且解释了相关的换热系数和压降变化。通过与 其他文献中的数据的比较，标准k-ε湍流模型和SST模型以及不同壁面率 y+对计算结果有很大的影响，数值计算结果对于预测壁面温度分布和压降有一定的适用性。最后讨论分析了目前国内外关于螺旋管的研究状况

5、，总结了螺旋管的流动与传热特性，在前面细圆管内超临界氮流动与换热数值计算的基础上，对螺旋管实验段进行了三维数值计算，考察了螺旋管内温度分布、截面速度分布以及沿程平均换热系数的变化。关键词：微通道，液氮，超临界，传热，浮升力，数值计算I上海交通大学硕士学位论文AbstractFLOWANDHEATTRANSFERCHARACTERISTICSOFSUPERCRITICALNITROGENINMINI-TUBESABSTRACTFluidswiththestatenearthecriticalpoints-su

6、percriticalfluidsshowmanytremendouslystrangecharacteristics,suchassingularitiesincompressibilityandviscosity,diminishingdifferenceinvaporandliquidphasesandsoonwhichhaveattractedalotofinvestigationsbothexperimentallyandtheoreticallyforfundamentalresearch.Th

7、ealready-existedresultsfortheflowandheattransfercharacteristicsaremostlyfortheroom-temperaturefluids,andthoseforcryogenicfluids,e.g,nitrogenandhelium,arerarelyfound.Firstly,summarizedandanalyzedtheflowandheattransfercharacteristicsoftheformerliteratures,an

8、dthendesignedtheexperimentalsetup,aswellasillustratedthedetails.Inthepresentstudy,experimentalinvestigationsoftheheattransferandfluidflowcharacteristicsofsupercriticalnitrogeninamini-tubeof2mmindiameterand220