螺旋管内超临界CO2流动方向对换热的影响.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaJuI．252016Vol37No．72123．2131lSSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaaedu．cnhkxb《萤buaaedu．cn螺旋管内超临界C02流动方向对换热的影响李洪瑞，徐肖肖*，刘朝，刘新新重庆大学动力工程学院低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆400030摘要：应用重正化群(RNG)肛E湍流模型对超临界c()z流体在内径为9mm，有效受热长度为5．5m，节距为32mm，绕径为283mm的竖直螺旋管中的加热过程开展了

2、数值模拟。研究了质量流速、进口压力、热通量以及不同流向对超临界C0：换热和压降的影响，并进～步分析变物性、浮升力和离心力在不同流动方向上对螺旋管中换热的耦合作用。结果表明：浮升力对超临界流体在螺旋管向上流动与向下流动的影响差别不大，而对水平流动的影响较大尤其是当流体在螺旋管的截面到入口截面的距离与管径之比为150～350之间(即临界温度附近)时，由于变物性、浮升力和离心力的耦合作用，导致水平流动方向上换热系数的震荡。关键词：湍流模型；数值分析；超临界流体；换热；浮升力；离心力；螺旋管中图分类号：TB657文献标识码：A文章编号：lOoO一6893(2016)0

3、7—2123一09随着航空技术的不断发展和在军事上的广泛应用，对环境控制系统(如空调或冷却系统)提出了更高的要求。除了环境友好和系统性能高之外，还需要满足体积小、稳定性、可靠性、易维护和调节等特点¨’5]。国外的学者和机构提出将跨临界CO。空调系统应用于军事航空领域[6J。自然工质CO。应用在空气调节系统能很好地满足军事航空的要求，主要因为：①无毒且不可燃，保证系统的安全可靠性高；②单位容积制冷量比常规工质大3～7倍而大大减小压缩机体积；③良好的热物性不仅使得换热器尺寸小且对换热效率起到积极作用‘7‘9]。气体冷却器是跨临界cO。空调系统的重要部件。目前，CO

4、：紧凑型气体冷却器主要有微通道和螺旋管两种形式。对于微通道形式的换热器，对超临界CO：在微通道管内的换热和流动特性研究已经比较成熟u“12J；对超临界C()。在螺旋管内的换热和流动特性研究则相对较少。Xu和Guo[】3]对超临界水在螺旋管内发展段的层流混合的流换热特性进行了数值研究，分析了螺旋管螺距、人口流动Grashof数G，一和Dean数等因素对流动和换热的影响。I，iberto和Cio—falo[143采用数值模拟方法研究了水在螺旋管内的湍流换热，发现在靠近螺旋管外侧的湍流和换热强度更强。wang等n朝通过多种湍流模型模拟超临界C()：在竖直螺旋管中向上

5、流动的换热特性，得出剪切应力输运(SST)模型的模拟结果更接近实验数据，应用SST模型模拟得出的参数Gr／Re2。7不能准确地反映对螺旋管中超临界C()：浮升力的作用，同时指出Prandtl数P，．对换热系数的影响不大。Xu等¨6o采用重正化群(RNG)}￡湍流模型对超临界C()。流体在竖直螺旋管中的流收稿日期：2015—06—19；退修日期：2015—07-27；录用日期：2015—09-02；网络出版时间：2015—09-1611：10网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detaif／111929V．201509161110004hfmI基金项目

6、：国家自然科学基金(51206197)；中央高校基本科研业务费专项资金(cDJzRl2140032)；重庆市研究生科研创新项目(CYSl6011)*通讯作者Tel：023—65112469E-mail：xuxiaoxiao@cqueducn礅羽撂武I李洪瑞．徐肖琏，翱朝．等．螺旋管内超临界c02流动方向对换热的影响￡J

7、．航空学掇。2016．37(7)：2123—2131uHR，xUxx．L

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16、ca，2016．37(7)：2123-2131航空学报JuI．252016VOI．37No．7动特性进行数值模拟，研究变物性、离心力和浮升力对换热的影响。国内外学者对超临界CO。在螺旋管中的换热特性的研究，主要集中在竖直向上流动的螺旋管，对于向下流动和水平螺旋管内的换热和流动特性研究不充分。本文将开展超临界CO：在螺旋管中不同流向换热和流动特性的数值研究，为跨临界COz螺旋管形式气体式冷却器设计、运行以及热效率的提升提供科学依据。1模型及模拟方法1．1物理模型竖直螺旋管的物理模型如图1所示，图中：R。为

17、螺旋半径，2丌6为节距，，．和口分别为