基于二级相变理论的超临界拟临界区划分方法

拟临界区通常意义上是指超临界条件下拟临界点附近物性变化剧烈的区域,在该区域内超临界流体的传质、传热行为与亚临界流体有很大不同,传统的亚临界热工水力分析模型已不适用,因此拟临界区是超临界流体热工水力特性研究的重点区域。本文基于拟临界区的热力学性质提出一种新的划分方法,认为超临界条件下高密度流体与低密度流体的转变满足二级相变理论,表面张力消失点为拟临界区的起始点,拟临界温度是相转变点,拟临界区的起始点和终止点满足Ehrenfest相变平衡方程。。     

临界点附近CO2物性畸变特性的分子动力学研究

通过分子动力学模拟方法,从微观角度研究了临界点附近CO₂物性畸变特性。分子动力学模拟表明COMPASS力场在远离临界点时具有较高精度,在临界点附近精度较低但可反映密度畸变现象。通过划分模拟空间,获得体系密度涨落特性,分析表明,临界点附近存在很大的密度涨落,且临界点前后密度涨落值呈现不对称特性;在CO₂分子上建立局部坐标,并定义了二聚体构型三参数描述方法,该描述方法能够全面描述二聚体构型分布,模拟结果显示在平行构型、T构型及十字构型中,T构型出现概率最高,3种构型的转变与物性畸变或存在紧密关联。      

基于不同状态方程的拟临界线计算方法及对拟临界区的划分

超临界流体在拟临界区内物性会发生剧烈变化。为建立拟临界区的划分方式，本文以超临界二氧化碳为研究对象，首先基于Van der Waals、Redlich-Kwong和Soave-Redlich-Kwong3个不同精度的状态方程分别计算获得了对应的拟临界线；然后基于连续相变理论，通过Ehrenfest方程确定了拟临界区；最后根据拟临界区划分结果，与传热退化发生的区域进行匹配，分析了不同区域内影响传热退化行为的内在机制。结果表明浮生力效应在拟临界区前和拟临界区之内对传热恶化起主导作用，流动加速效应在拟临界区之后起主导作用。     

跨临界时二氧化碳体系微观结构特征的分子动力学模拟

应用分子动力学模拟方法研究了跨越临界点时二氧化碳体系微观结构特性。径向分布函数的分析表明,临界点前后体系内短程序结构变化很小,主要受分子间极强的近邻相互作用的强化效果影响,第一近邻配位数的分析进一步显示近程结构的变化以配对分子数量的变化为主;气态条件下的二氧化碳体系仍呈“近程有序且长程无序”状态;静态结构因子的分析表明,拟临界区体系中存在中远程有序结构;定义了无序距离,该参数的突增表明了临界点附近分子间相互作用距离剧烈增大。      

跨临界泄压瞬态传热特性的模型敏感性分析

在停堆或失水等事故工况下,超临界水冷堆将经历跨临界泄压过程,系统压力从超临界状态降到拟临界点22.064MPa以下。而对于次临界区,临界点附近的临界热流密度值很低,极易发生沸腾临界,导致加热棒壁面温度迅速升高,因此跨临界泄压过程是超临界水冷堆失水事故安全分析的关键。目前,跨临界泄压瞬态过程可以通过系统程序进行计算,但依然缺乏有效的实验验证。故本文依托上海交通大学的超临界流体多功能实验回路(Supercritical WAter MUltiPurpose loop,SWAMUP)跨临界泄压过程的实验,利用德国核安全中心(GRS)开发的系统程序ATHLET3.0进行建模计算,分析跨临界泄压过程传热特性。通过调节次临界区临界热流密度、最小膜态沸腾温度、骤冷前沿模型等相关参数,对计算模型进行敏感性分析,为跨临界泄压瞬态过程的准确计算提供参考。计算结果表明,加热棒壁面是否发生温度飞升取决于所选用的临界热流密度和最小膜态沸腾温度的值;骤冷前沿模型的使用可以实现壁面再湿润,降低壁面温度。     

超临界压力区域失压瞬态传热特性数值研究

采用Ansys Fluent 15.0开展水工质在超临界压力区域失压瞬态传热特性的数值研究。通过对比分析计算结果与实验数据，建立了合理的并适用于超临界压力区域失压瞬态工况的数值模拟方法。数值计算结果表明，在模拟的近临界点瞬态工况参数下，实验段出口流体参数已超过该工况的拟临界点参数，但该参数仍处于物性参数急剧变化的拟临界点附近区域，实验段流体从入口区域的不可压缩流动转变为出口区域的可压缩流动，且拟临界点处的质量流速和压降梯度出现峰值。瞬态工况计算结果与Jackson公式计算结果对比分析表明，在临界点附近区域Jackson公式计算的努塞尔数比本文计算的努塞尔数高出20%~50%。      

竖直圆管内超临界流体混合对流传热特性理论分析

理论推导了变密度引起的浮升力效应和流动加速效应对超临界流体混合对流传热特性的影响。结果表明,浮升力效应和流动加速效应通过改变壁面边界层外缘的切应力影响湍流对传热传质的贡献,进而改变超临界流体混合对流传热特性。浮升力效应通常在加热区域入口及上游区域表现明显,而流动加速效应在主流区流体温度达到拟临界温度时更显著。与实验研究结果对比发现,新建立的浮升力因子和流动加速因子可较好地预测竖直圆管内超临界流体混合对流条件下拟临界区域的局部传热特性。     

超临界水拟临界区的物性变化对传热特性的影响分析

超临界水的拟临界区是物性的剧烈变化区,对超临界水的流动传热具有重要影响,这个区域的物性数据直接影响到数值计算的可靠性。本文基于2个超临界实验工况利用FLUENT计算流体力学软件,分析超临界水在拟临界区的物性数据对传热特性数值计算结果的敏感性,并基于FLUENT软件的用户自定义函数(UDF)扩展其物性处理方式。通过与实验工况进行比较,认为改进后的物性处理方式有助于提高数值计算的预测精度。     

浮升力效应和流动加速效应对超临界二氧化碳传热影响理论分析

从边界层基本特性出发，分析了拟临界区强变物性导致的浮升力效应和流动加速效应对近壁面区域超临界二氧化碳传热特性的影响机理，基于受力分析推导得到了2种效应作用下的超临界流体传热弱化起始点理论判据。研究结果表明，对于加热工况竖直向上流动，浮升力效应和流动加速效应均会导致近壁面区域切应力减弱，进而影响近壁面区湍流的生成与扩散，最终导致传热弱化；2种效应作用下传热弱化起始点判据分别为浮升力因子Bu=1.16×10-5和流动加速因子Ac=2.91×10-6，上述阈值与实验结果吻合良好。      

超临界水拟临界点的热膨胀系数计算研究

在临界点附近时,超临界水的热膨胀系数很大,随着压力的升高,拟临界点的热膨胀系数迅速下降,拟临界点的热膨胀系数是计算临界相变转换数的基础,对于分析超临界压力下的流动不稳定性非常重要。因此,计算超临界水在拟临界点的热膨胀系数,对于了解和掌握超临界水堆中能量的转换或热量传递非常重要。运用MATLAB曲线拟合工具箱,对超临界水的拟临界点的膨胀系数进行了拟合回归分析。拟合得出了超临界水的拟临界点的热膨胀系数的计算公式。该公式具有结构简单易于计算的特点,最大绝对误差为0.20 K-1,最大的相对误差为0.19%,计算精度满足工业研究与分析的要求。     

超临界二氧化碳在印刷电路板式换热器内的流动换热特性研究

印刷电路板式换热器（PCHE）是一种微通道换热器，具有换热效率高、耐高温、耐高压等优势，可广泛应用于海洋工程、核能、光热发电等领域。本文采用数值模拟的方法，计算了跨拟临界点超临界二氧化碳（SCO₂）在印刷电路板式换热器内的流动换热特性。结果表明：SCO₂流体温度达到拟临界温度时，流通截面内流体温度分布最均匀，因为此时流体的有效导热系数最大；SCO₂侧对流换热热阻在总热阻中占比最大，其次为导热热阻，水侧对流换热热阻最小；采用等效厚度法计算得到的导热热阻偏大；雷诺数越大，在拟临界温度附近换热强化的程度越大。     

超临界水通道内压降特性分析

超临界水冷堆是以超临界水作为冷却剂和慢化剂的第4代核能系统之一，超临界水在拟临界区附近剧烈的物性变化会给通道内的压降特性带来影响。本文分析了超临界条件下重力压降、加速压降和摩擦压降的特点，并对具体的计算方式提供了一些建议和参考：重力压降需考虑沿程的积分效应；基于隐式PKN公式得到了显式PKN公式，用于求解等温流动摩擦系数；采用CFD数值分析工具比较了超临界条件下不同摩擦关系式的异同，发现Kirillov公式与CFD计算结果较为接近。     

10 mm垂直单管通道内超临界水传热弱化现象的实验与数值分析

超临界压力下的流体因拟临界点附近物性的剧烈变化,形成了非常奇特的传热现象。因流体密度突变,在低流量下会引起强烈的浮升力作用,对超临界流体的流动和传热均有极大影响。本工作通过实验获得10 mm单管内传热弱化现象的实验数据,并采用改进的低雷诺数湍流模型,使用数值方法模拟该传热弱化现象。计算结果表明,不同于以往传统的模型会高估壁面温度,改进的低雷诺数湍流模型能较好预测实验结果。数值模拟结果还揭示了浮升力对湍流剪切应力和速度分布的影响,进而引起传热弱化和传热恢复。     

A point-hydraulics model for flow stability analysis

The strong variation of the thermal–physical properties of supercritical fluids in the vicinity of the pseudo-critical line results in challenging tasks in thermal–hydraulic design of a supercritical water-cooled reactor (SCWR). One of the challenging tasks is to understand and to predict the dynamic behavior and flow stability of supercritical water-cooled systems. The present study introduces a new method, the so-called point-hydraulics model (PHM), to establish a criterion for predicting the onset of a self-sustaining flow oscillation in a closed cooling system. Four dimensionless numbers are clarified which affect the onset of flow instability. Based on this model, stability maps are derived which can be applied to any kind of fluids and operating conditions. The PHM model is applied to a simplified system cooled by supercritical water. Parameters affecting the flow stability are discussed. A good agreement is achieved between the PHM model and the numerical results obtained using the SASC code which was developed specifically for analyzing the dynamic behavior of systems cooled by supercritical fluids.     

Discussion of similarity principles for fluid-to-fluid scaling of heat transfer behaviour at supercritical pressures

In this paper, a rationale for comparing heat transfer behaviour of different fluids at supercritical pressures is discussed. The study is performed as an extension to heat transfer of a previous proposal of dimensionless groups suitable for assessing stability in heated channels with supercritical fluids. The additional difficulty to be overcome with respect to the case of stability of channels with imposed heat flux is related to the role played in the present case by thermo-physical properties, whose trends as a function of dimensionless enthalpy are different for different fluids, sharing anyway a general similarity across the pseudo-critical threshold.The proposed considerations are discussed with the aid of results obtained by computational fluid-dynamic codes, contributing to clarify the extent at which the reported considerations can be considered promising for developing a coherent similarity theory for heat transfer to fluids at supercritical pressures.