超临界流体应用于对流换热能源系统的关键科学问题研究

This project is devoted to perfecting the variable property thermal lattice Boltzmann model and performing experiments to study the turbulent flow and heat transfer characteristics of supercritical fluids (water, carbon dioxide) in both vertical and horizontal tubes. It is hoped that the project can provide theoretical basis for the efficient utilization of supercritical fluids in energy field. In the framework of lattice Boltzmann method, a high-efficiency direct numerical simulation (DNS) method will be designed firstly to study the characteristics of large-scale turbulent motions under different heat transfer modes (enhanced heat-transfer mode, normal heat-transfer mode and deteriorated heat-transfer mode) as well as the effects of small-scale turbulence. Then, the grid scale in large eddy simulation (LES) is determined. Further, by adopting the dynamic subgrid-scale eddy viscosity model or designing a heat-transfer-mode-based subgrid-scale model, the project will study the turbulent flow and heat transfer of supercritical fluids under different Reynolds numbers using LES. Relevant experiments will be performed to evaluate the validity of the numerical scheme including the lattice Boltzmann model and the subgrid-scale model. The numerical results will be analyzed to discuss the effects of controlling parameters (tube diameter, flow direction, heat flow rate, mass flow rate, pressure and inlet temperature, etc.) on both turbulence generation and turbulent transport so that the mechanisms for heat transfer deterioration and heat transfer enhancement can be revealed. The project attempts to give a universal heat transfer correlation, and determine both the critical condition of heat transfer deterioration and the domain of heat transfer enhancement in terms of controlling parameters. This project will efficiently promote the study about the convective heat transfer of supercritical fluids, making important contributions for the energy saving and emission reduction projects of our country.

本项目拟通过进一步完善青年基金项目中提出的格子Boltzmann模型并搭建实验台研究竖直圆管、水平圆管内超临界流体（水，CO2）的湍流传热，为能源技术领域有效利用超临界流体提供理论依据。本项目首先采用DNS方法模拟几种典型参数条件下的对流传热过程，分析不同传热模式下大尺度湍流运动的特征以及小尺度脉动的影响，确定大涡模拟(LES)方法的网格尺度。进一步，利用动力学涡黏模型或者构建基于传热模式的亚网格通量模型，尝试采用LES方法模拟不同雷诺数的超临界流体传热。同时，开展实验研究，不断完善格子Boltzmann算法和亚网格通量模型。通过对LES数据场的深入分析，讨论控制参数对湍流产生和输运过程的影响，揭示传热强化、传热恶化的机理，发展普适的传热关联式，确定传热恶化的临界条件，界定传热强化的参数范围。本项目将有效推动超临界流体传热的研究工作取得突破性进展，为我国的节能减排事业做出重要贡献。

超临界流体的热物性参数对温度的变化非常敏感，在能源转换、能源利用系统中具有广阔的应用前景。然而，这种特殊的物性变化特征增强了控制方程的非线性，给数值求解和理论分析带来很多困难。流体物性变化对流动和传热特征的影响是近三、四十年的研究热点问题。对于能源系统中的变物性效应，采用传统的可压缩算法进行数值研究，由于马赫数很低，数值收敛速度很慢；采用不可压缩算法求解，则需要进行前处理，过程复杂。在此背景下，课题负责人发展了一种变物性格子-玻尔兹曼通量求解器（VPLBFS），该求解器不仅能够捕捉流体部分物性变化的影响，而且能够获得考虑全部物性变化的整体影响的真实解，是研究能源转换、能源利用系统中伴随流体物性变化的对流传热过程的一种高效、可靠的数值方案。首先，我们对VPLBFS开展了一系列的验证和检验工作，包括与解析解、已有实验结果以及数值解的比对，论证了VPLBFS的可靠性。其次，采用VPLBFS模拟了变物性流体的流动与传热过程，通过调整控制参数（温差比，运行温度，运行压力，瑞利数，几何参数等），分析不同条件下流体物性变化对流动特征及传热特性的影响。研究结果表明：流体物性变化是影响流动与传热的重要因素，温差比是影响流动特征的关键参数，通常所关注的基于“Boussinesq假设”的常物性解无法预测真实流态的复杂多样性，同时低估了对流换热系统的传热性能，文献中报道的考虑部分物性变化的变物性解均不能作为真实解的近似，换言之，我们的研究结果论证了在研究变物性影响时考虑流体全部物性变化的必要性。本课题发展的VPLBFS为研究能源工程中真实的对流传热过程提供了有力工具，研究结果对于重新认识对流传热现象、建立更加真实可靠的传热关联式具有重要的指导意义。截至目前，共发表和已接收学术期刊论文7篇，其中SCI收录5篇（有3篇发表在International Journal of Heat and Mass Transfer, 1篇被Physics of Fluids接收并被选为“Editor’s Pick”），EI收录1篇。参加国际会议2次，国内学术会议若干次。