基于DNS方法洞察超臨界流體湍流換熱的微觀世界一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源需求的持續(xù)增長和對環(huán)境保護(hù)的日益重視，高效能源轉(zhuǎn)換與利用技術(shù)成為當(dāng)今能源領(lǐng)域的研究熱點。超臨界流體，作為一種處于臨界溫度（T_c）和臨界壓力（P_c）以上的特殊狀態(tài)流體，具有獨特的物理性質(zhì)，如密度接近液體、擴散系數(shù)和粘度接近氣體，且其物性對溫度和壓力變化極為敏感。這些特性使得超臨界流體在眾多能源相關(guān)領(lǐng)域，如超臨界水冷反應(yīng)堆、超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)以及石油化工等過程中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在超臨界水冷反應(yīng)堆中，超臨界水作為冷卻劑，因其較高的熱導(dǎo)率和比熱容，能夠在較小的流量下實現(xiàn)高效的熱量傳遞，從而提高反應(yīng)堆的熱效率和安全性；在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中，超臨界二氧化碳因其低臨界溫度和壓力、良好的熱物理性質(zhì)以及環(huán)境友好性，被視為新一代高效緊湊的發(fā)電循環(huán)工質(zhì)，有望在未來的能源發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；在超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)里，超臨界流體的特性有助于提高儲能密度和系統(tǒng)效率，為大規(guī)?？稍偕茉吹拇鎯εc利用提供了新的解決方案。然而，超臨界流體在實際應(yīng)用中的傳熱過程面臨著諸多挑戰(zhàn)。在臨界點附近，超臨界流體的物性如密度、比熱容、粘度等會發(fā)生急劇變化，這種強變物性特性導(dǎo)致其傳熱規(guī)律與傳統(tǒng)流體存在顯著差異，使得傳熱過程變得異常復(fù)雜，極易出現(xiàn)“傳熱惡化”或“傳熱強化”等特殊現(xiàn)象。傳熱惡化可能導(dǎo)致設(shè)備壁面溫度過高，影響設(shè)備的安全運行和使用壽命；而傳熱強化雖在一定程度上有利于提高傳熱效率，但也增加了對傳熱機理深入理解和準(zhǔn)確預(yù)測的難度。例如，在超臨界水冷反應(yīng)堆中，傳熱惡化可能引發(fā)燃料包殼溫度升高，甚至導(dǎo)致燃料元件損壞，威脅反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運行；在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，對傳熱特性的不準(zhǔn)確預(yù)測可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計不合理，降低循環(huán)效率，增加運行成本。因此，深入研究超臨界流體的湍流換熱機理，準(zhǔn)確掌握其傳熱規(guī)律，對于優(yōu)化相關(guān)能源系統(tǒng)的設(shè)計、提高能源利用效率、確保設(shè)備的安全可靠運行具有至關(guān)重要的意義。直接數(shù)值模擬（DNS）方法，作為一種不依賴于任何湍流模型假設(shè)，通過直接求解Navier-Stokes方程來獲得湍流流場中所有尺度渦旋運動信息的數(shù)值模擬技術(shù)，為揭示超臨界流體湍流換熱機理提供了有力手段。DNS方法能夠精確捕捉到超臨界流體在強變物性條件下湍流場中各種復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)和傳熱現(xiàn)象，包括不同尺度渦旋之間的相互作用、能量傳遞過程以及它們對傳熱的影響。通過DNS模擬，可以獲得詳細(xì)的流場和溫度場信息，從而深入分析超臨界流體湍流換熱的內(nèi)在機制，如湍動能的產(chǎn)生、耗散與輸運過程，以及這些過程與物性變化之間的耦合關(guān)系。與傳統(tǒng)的實驗研究和基于湍流模型的數(shù)值模擬方法相比，DNS方法不受實驗測量技術(shù)的限制，能夠提供全流場的信息，且避免了湍流模型中經(jīng)驗假設(shè)帶來的不確定性，為建立準(zhǔn)確的超臨界流體湍流換熱模型和關(guān)聯(lián)式提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，基于DNS方法開展超臨界流體湍流換熱機理研究，有望突破當(dāng)前超臨界流體傳熱研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題，為相關(guān)能源技術(shù)的發(fā)展提供堅實的理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)，推動能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步。1.2超臨界流體概述超臨界流體，是指處于臨界溫度（T_c）和臨界壓力（P_c）以上的特殊流體狀態(tài)。在這一狀態(tài)下，物質(zhì)呈現(xiàn)出獨特的物理性質(zhì)，其液體與氣體的分界消失，兼具液體和氣體的雙重特性。以水為例，當(dāng)溫度升高到374.3℃，壓力達(dá)到22.05MPa以上時，水即進(jìn)入超臨界狀態(tài)，成為超臨界水。超臨界流體的物性對溫度和壓力的變化極為敏感。在臨界點附近，其密度、粘度、擴散系數(shù)等物性會發(fā)生急劇變化。從密度特性來看，超臨界流體的密度比一般氣體大兩個數(shù)量級，與液體相近。這種較高的密度使得超臨界流體具有較強的溶解能力，物質(zhì)的溶解度與溶劑的密度成正比，因此超臨界流體在萃取等過程中表現(xiàn)出良好的溶劑化能力，可用于提取某些物質(zhì)，如超臨界二氧化碳常用于從咖啡豆中除去咖啡因、從煙草中脫除尼古丁等。在粘度方面，超臨界流體的粘度接近氣體，比液體小得多，大約比液體小兩個數(shù)量級。較小的粘度使得超臨界流體具有良好的流動性，能夠在管道等系統(tǒng)中更順暢地流動，減少流動阻力，這在能源輸送等應(yīng)用中具有重要意義，例如可將天然氣轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)后在管道中運送，既節(jié)省動力，又能增加運輸速率。超臨界流體的擴散系數(shù)介于氣體和液體之間，大約是氣體的幾百分之一，但卻是液體的幾百倍。這種擴散性能使得超臨界流體在傳質(zhì)過程中具有優(yōu)勢，傳質(zhì)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體，能夠更快地完成物質(zhì)的傳遞和混合過程，有利于提高化學(xué)反應(yīng)速率和分離效率等。此外，超臨界流體的介電常數(shù)也會隨壓力發(fā)生急劇變化，介電常數(shù)的增大有利于溶解一些極性大的物質(zhì)，進(jìn)一步拓展了其在不同物質(zhì)溶解和分離過程中的應(yīng)用范圍。在超臨界狀態(tài)下，流體的熱容量、表面張力等性質(zhì)也與常規(guī)狀態(tài)下有顯著差異，這些獨特的物性使得超臨界流體在能源、化工、材料、環(huán)保等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，同時也為其在傳熱、傳質(zhì)等過程中的研究帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。1.3超臨界流體湍流換熱研究現(xiàn)狀1.3.1實驗研究進(jìn)展實驗研究作為超臨界流體湍流換熱研究的重要手段，在過去幾十年中取得了豐碩的成果。早期的實驗主要集中在對超臨界流體基本傳熱特性的觀察和測量。例如，Kakac和Yener通過實驗研究了超臨界水在圓管內(nèi)的對流換熱特性，發(fā)現(xiàn)超臨界水在擬臨界溫度附近，傳熱系數(shù)會出現(xiàn)明顯的峰值，且熱流密度對傳熱特性有顯著影響。隨著實驗技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究者們能夠更加精確地測量超臨界流體在復(fù)雜流場中的溫度、速度、壓力等參數(shù)，為深入理解其傳熱機理提供了更豐富的數(shù)據(jù)支持。近年來，一些研究關(guān)注到超臨界流體在不同幾何結(jié)構(gòu)下的傳熱特性。如Kim等人對超臨界二氧化碳在微通道內(nèi)的流動與傳熱進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，微通道的尺寸效應(yīng)會顯著影響超臨界二氧化碳的傳熱性能，在小尺寸通道中，壁面與流體之間的相互作用增強，導(dǎo)致傳熱強化現(xiàn)象更為明顯。此外，對于超臨界流體在彎曲管道、管束等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳熱實驗也有開展，這些研究發(fā)現(xiàn)，流動的二次效應(yīng)、管束的排列方式等因素會對超臨界流體的傳熱產(chǎn)生重要影響。然而，超臨界流體實驗研究也面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，超臨界狀態(tài)下的實驗需要高壓、高溫的實驗環(huán)境，對實驗設(shè)備的要求極高，實驗成本高昂，且存在一定的安全風(fēng)險。例如，在超臨界水的實驗中，需要承受高達(dá)22.05MPa以上的壓力和374.3℃以上的溫度，這對實驗設(shè)備的耐壓、耐高溫性能提出了嚴(yán)苛要求。另一方面，超臨界流體在臨界點附近物性的急劇變化，使得實驗測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性難以保證。由于物性的快速變化，測量儀器的響應(yīng)速度和精度可能無法滿足要求，導(dǎo)致測量誤差增大。此外，實驗過程中還可能受到雜質(zhì)、設(shè)備表面粗糙度等因素的干擾，進(jìn)一步增加了實驗結(jié)果的不確定性。1.3.2數(shù)值研究進(jìn)展數(shù)值研究在超臨界流體湍流換熱領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，為深入理解其傳熱機理提供了有力工具。早期的數(shù)值模擬主要采用基于經(jīng)驗或半經(jīng)驗湍流模型的計算流體力學(xué)（CFD）方法，如標(biāo)準(zhǔn)k-\epsilon模型、RNGk-\epsilon模型等。這些模型通過引入一些經(jīng)驗常數(shù)和假設(shè)，對湍流中的未知項進(jìn)行封閉，從而實現(xiàn)對湍流流場的模擬。例如，Wang等人利用標(biāo)準(zhǔn)k-\epsilon模型對超臨界壓力下的水在圓管內(nèi)的湍流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況下的傳熱特性，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。然而，由于超臨界流體的強變物性特性，傳統(tǒng)的湍流模型往往難以準(zhǔn)確描述其湍流輸運過程，在預(yù)測傳熱特性時存在較大誤差。為了提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，近年來發(fā)展了一些改進(jìn)的湍流模型。如考慮變物性影響的低雷諾數(shù)k-\omegaSST模型，該模型在近壁區(qū)域?qū)ν牧髡承赃M(jìn)行了修正，能夠更好地處理超臨界流體在壁面附近物性急劇變化的情況。Zhang等人采用低雷諾數(shù)k-\omegaSST模型對超臨界二氧化碳在水平管內(nèi)的流動與傳熱進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明該模型在預(yù)測超臨界流體傳熱特性方面具有較好的精度。此外，還有一些基于雷諾應(yīng)力模型（RSM）的數(shù)值模擬方法，RSM模型通過直接求解雷諾應(yīng)力輸運方程，能夠更準(zhǔn)確地描述湍流的各向異性，在超臨界流體傳熱模擬中也取得了一定的應(yīng)用。直接數(shù)值模擬（DNS）方法作為一種無需任何湍流模型假設(shè)的高精度數(shù)值模擬技術(shù)，近年來在超臨界流體湍流換熱研究中得到了越來越多的關(guān)注。DNS通過直接求解Navier-Stokes方程，能夠精確捕捉到湍流流場中所有尺度渦旋的運動信息，包括不同尺度渦旋之間的相互作用、能量傳遞過程以及它們對傳熱的影響。初旭等人采用大規(guī)模并行直接數(shù)值模擬（DNS）研究超臨界流體的流動傳熱機理，通過DNS模擬得到了超臨界流體在不同工況下詳細(xì)的流場和溫度場信息，深入分析了湍動能的產(chǎn)生、耗散與輸運過程以及它們與物性變化之間的耦合關(guān)系。清華大學(xué)的曹玉立助理研究員針對超臨界流體強變物性和湍流引起的流場強梯度，采用高精度數(shù)值模擬（DNS）與實驗測量相結(jié)合的方法，并通過深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，構(gòu)建了湍流換熱的通用預(yù)測模型，該模型在特定工況下能夠準(zhǔn)確預(yù)測努塞爾數(shù)（Nu）。然而，DNS方法也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。由于需要解析湍流中的最小尺度渦旋，DNS對計算資源的需求極高，計算量隨著雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)增長。以超臨界流體在高雷諾數(shù)下的流動為例，為了準(zhǔn)確模擬其湍流特性，需要在空間和時間上進(jìn)行極其精細(xì)的網(wǎng)格劃分和時間步長設(shè)置，這使得計算成本急劇增加，目前的計算能力還難以滿足大規(guī)模、高雷諾數(shù)的DNS模擬需求。此外，DNS模擬中邊界條件的處理、數(shù)值穩(wěn)定性等問題也需要進(jìn)一步研究和完善。盡管存在這些挑戰(zhàn)，DNS方法憑借其能夠提供全流場詳細(xì)信息的優(yōu)勢，仍然是研究超臨界流體湍流換熱機理的重要手段，隨著計算技術(shù)的不斷發(fā)展，有望在未來取得更多的突破和應(yīng)用。1.4本文研究內(nèi)容與目標(biāo)本文旨在通過直接數(shù)值模擬（DNS）方法，深入探究超臨界流體的湍流換熱機理，具體研究內(nèi)容如下：構(gòu)建高精度DNS數(shù)值模型：基于超臨界流體的Navier-Stokes方程和能量方程，考慮其強變物性特性，構(gòu)建適用于超臨界流體湍流換熱模擬的高精度DNS數(shù)值模型。采用高精度的空間離散格式和時間推進(jìn)算法，確保對湍流流場中復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)和傳熱現(xiàn)象的精確捕捉。對模型的邊界條件進(jìn)行合理處理，以準(zhǔn)確模擬實際工程應(yīng)用中的流動與傳熱情況，并通過與經(jīng)典算例和實驗數(shù)據(jù)的對比驗證，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。研究超臨界流體湍流換熱特性：利用構(gòu)建的DNS模型，系統(tǒng)研究不同工況下超臨界流體的湍流換熱特性。分析超臨界流體在加熱或冷卻過程中，速度場、溫度場以及物性場的分布與變化規(guī)律。研究超臨界壓力、溫度、熱流密度等參數(shù)對湍流換熱系數(shù)、努塞爾數(shù)等關(guān)鍵傳熱參數(shù)的影響，揭示超臨界流體在不同工況下的傳熱強化與傳熱惡化機制。分析湍流結(jié)構(gòu)與傳熱的耦合關(guān)系：通過DNS模擬結(jié)果，深入分析超臨界流體湍流場中的各種渦旋結(jié)構(gòu)，包括不同尺度渦旋的生成、發(fā)展、相互作用以及它們在流場中的分布規(guī)律。探究湍流渦旋結(jié)構(gòu)與傳熱過程之間的耦合機制，如渦旋的拉伸、扭曲對熱量輸運的影響，以及湍動能的產(chǎn)生、耗散與熱量傳遞之間的內(nèi)在聯(lián)系。從微觀角度揭示超臨界流體湍流換熱的物理本質(zhì)，為建立基于湍流結(jié)構(gòu)的傳熱模型提供理論依據(jù)。揭示浮力對超臨界流體湍流換熱的影響：考慮重力作用，研究浮力對超臨界流體湍流換熱的影響。分析浮力作用下超臨界流體在豎直管道、傾斜管道等不同幾何結(jié)構(gòu)中的流動與傳熱特性，探討浮升力對流體流動穩(wěn)定性、湍流強度以及傳熱性能的影響規(guī)律。研究浮力與超臨界流體物性變化之間的相互作用，揭示浮力驅(qū)動下超臨界流體湍流換熱的特殊機理，為相關(guān)工程應(yīng)用中考慮浮力影響的傳熱設(shè)計提供理論支持。探索雷諾數(shù)對超臨界流體湍流換熱的影響規(guī)律：改變雷諾數(shù)，研究其對超臨界流體湍流換熱的影響。分析不同雷諾數(shù)下超臨界流體的湍流特性，如湍流脈動強度、湍流尺度分布等。探究雷諾數(shù)變化對超臨界流體傳熱系數(shù)、努塞爾數(shù)以及傳熱邊界層特性的影響規(guī)律，明確雷諾數(shù)在超臨界流體湍流換熱中的作用機制。通過研究雷諾數(shù)的影響，為不同工況下超臨界流體傳熱設(shè)備的設(shè)計與優(yōu)化提供參考依據(jù)。通過上述研究內(nèi)容，本文期望達(dá)成以下目標(biāo)：深入揭示超臨界流體湍流換熱機理：全面了解超臨界流體在強變物性條件下的湍流換熱特性，從湍流結(jié)構(gòu)、物性變化、浮力作用以及雷諾數(shù)效應(yīng)等多個角度，深入剖析超臨界流體湍流換熱的內(nèi)在物理機制，填補當(dāng)前在該領(lǐng)域理論研究的部分空白。建立準(zhǔn)確的超臨界流體湍流換熱模型：基于DNS模擬結(jié)果和對換熱機理的深入理解，建立能夠準(zhǔn)確描述超臨界流體湍流換熱過程的數(shù)學(xué)模型，該模型應(yīng)充分考慮超臨界流體的物性變化、湍流結(jié)構(gòu)以及各種影響因素之間的耦合關(guān)系。通過與實驗數(shù)據(jù)和其他數(shù)值模擬結(jié)果的對比驗證，確保模型的準(zhǔn)確性和通用性，為工程實際應(yīng)用提供可靠的理論計算工具。為超臨界流體相關(guān)能源系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)：將研究成果應(yīng)用于超臨界水冷反應(yīng)堆、超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)等實際能源系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化中，為這些系統(tǒng)中關(guān)鍵傳熱部件的設(shè)計提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。通過優(yōu)化傳熱過程，提高能源系統(tǒng)的熱效率，降低設(shè)備的運行成本，確保能源系統(tǒng)的安全可靠運行，推動超臨界流體在能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。二、DNS方法原理與應(yīng)用2.1DNS方法基本原理直接數(shù)值模擬（DNS）方法是一種在湍流研究領(lǐng)域中具有重要地位的數(shù)值模擬技術(shù)，其核心在于直接對Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，以獲取湍流流場中所有尺度渦旋的運動信息。Navier-Stokes方程作為描述粘性不可壓縮流體運動的基本方程，由連續(xù)性方程和動量方程組成。連續(xù)性方程基于質(zhì)量守恒定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u})=0式中，\rho表示流體密度，t為時間，\vec{u}是流體速度向量。該方程表明在流體運動過程中，單位時間內(nèi)流體微元的質(zhì)量變化等于通過微元表面的質(zhì)量通量。動量方程則依據(jù)動量守恒定律，對于不可壓縮牛頓流體，其向量形式為：\rho\left(\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u}\right)=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{u}+\vec{f}其中，p代表流體壓力，\mu是動力粘度，\vec{f}為作用在流體上的外力。此方程描述了作用在流體微元上的力與微元動量變化之間的關(guān)系，包括慣性力、壓力梯度力、粘性力以及外力。在DNS方法中，通過數(shù)值計算直接求解這些方程，而不引入任何湍流模型假設(shè)，從而能夠精確捕捉到湍流流場中不同尺度渦旋的運動細(xì)節(jié)。湍流是一種高度復(fù)雜的流體運動狀態(tài)，具有多尺度特性，包含從大尺度渦旋到微小尺度渦旋的廣泛尺度范圍。DNS方法能夠完整地解析這些不同尺度的渦旋運動，包括渦旋的生成、發(fā)展、相互作用以及它們在流場中的分布規(guī)律。然而，DNS方法對計算機資源的要求極高。這是因為湍流中存在著各種尺度的渦旋，為了準(zhǔn)確解析最小尺度的渦旋，需要在空間和時間上進(jìn)行極其精細(xì)的離散。隨著雷諾數(shù)（Re）的增加，湍流中的最小尺度渦旋變得更小，所需的網(wǎng)格分辨率和時間步長也需要相應(yīng)地提高。根據(jù)Kolmogorov理論，湍流中最小尺度渦旋（Kolmogorov尺度，\eta）與雷諾數(shù)的關(guān)系為：\eta=\left(\frac{\nu^3}{\epsilon}\right)^{\frac{1}{4}}\simRe^{-\frac{3}{4}}其中，\nu為運動粘度，\epsilon是湍動能耗散率。這表明雷諾數(shù)越大，Kolmogorov尺度越小，DNS模擬所需的網(wǎng)格點數(shù)和計算時間會隨著雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)增長。例如，在低雷諾數(shù)下，可能只需要較少的網(wǎng)格點數(shù)就能較好地模擬湍流流場；但在高雷諾數(shù)下，為了捕捉到最小尺度渦旋的運動，網(wǎng)格點數(shù)可能需要增加幾個數(shù)量級，計算時間也會大幅延長。這種對計算資源的極高需求，使得目前DNS方法在大規(guī)模、高雷諾數(shù)的實際工程問題中的應(yīng)用受到了很大限制，主要應(yīng)用于理論研究和小規(guī)模問題的模擬。2.2DNS方法在流體研究中的應(yīng)用情況DNS方法在流體研究領(lǐng)域展現(xiàn)出了強大的能力，在不同類型的流體流動研究中都取得了顯著成果。在不可壓縮流體流動研究方面，DNS方法被廣泛應(yīng)用于揭示其流動細(xì)節(jié)。例如，在槽道湍流研究中，研究人員運用DNS方法對不可壓縮流體在槽道內(nèi)的流動進(jìn)行模擬。通過模擬，精確地捕捉到了槽道內(nèi)流體的速度分布情況，包括平均速度沿槽道高度方向的拋物線型分布，以及在近壁區(qū)域存在的速度梯度較大的粘性底層。同時，對湍流脈動速度的分析發(fā)現(xiàn)，在槽道中心區(qū)域，湍流脈動強度相對較小，而在近壁區(qū)域，由于壁面的影響，湍流脈動強度急劇增大。DNS模擬還揭示了槽道內(nèi)存在的各種渦旋結(jié)構(gòu)，如流向渦、展向渦等，以及它們的生成、發(fā)展和相互作用過程。流向渦在近壁區(qū)域生成，其強度和尺度隨著離壁距離的增加而發(fā)生變化，并且與展向渦之間存在著復(fù)雜的相互作用，這種相互作用對流體的動量輸運和能量傳遞有著重要影響。在圓柱繞流問題的研究中，DNS方法同樣發(fā)揮了重要作用。通過DNS模擬，詳細(xì)地分析了圓柱繞流過程中流體的壓力分布和尾流特性。在圓柱表面，壓力分布呈現(xiàn)出明顯的非對稱性，在圓柱前部，流體受到壓縮，壓力較高；而在圓柱后部，流體形成分離區(qū)，壓力較低。在尾流區(qū)域，DNS模擬清晰地捕捉到了卡門渦街的形成和脫落過程。隨著流體繞過圓柱，在圓柱后部兩側(cè)交替產(chǎn)生脫落的渦旋，這些渦旋以一定的頻率向下游傳播，形成了規(guī)則的卡門渦街。研究還發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)的變化會對卡門渦街的特性產(chǎn)生顯著影響，隨著雷諾數(shù)的增加，渦旋的脫落頻率增大，尾流的寬度也會相應(yīng)增加。對于可壓縮流體流動，DNS方法也為深入理解其復(fù)雜的物理現(xiàn)象提供了有力支持。在激波與邊界層相互作用的研究中，DNS方法能夠精確地模擬激波的傳播、反射以及與邊界層的相互作用過程。例如，在高超聲速飛行器的研究中，飛行器表面的邊界層與激波相互作用會導(dǎo)致邊界層的分離、再附以及熱流密度的劇烈變化。通過DNS模擬，研究人員可以詳細(xì)地分析激波與邊界層相互作用過程中流場的壓力、溫度、密度等參數(shù)的分布和變化規(guī)律。在激波與邊界層相互作用區(qū)域，壓力會出現(xiàn)急劇升高，溫度也會顯著增加，這對飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時，DNS模擬還能夠揭示激波與邊界層相互作用過程中產(chǎn)生的復(fù)雜渦旋結(jié)構(gòu)，這些渦旋結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步影響流場的流動特性和傳熱性能。在超臨界流體研究領(lǐng)域，DNS方法的應(yīng)用也逐漸增多。超臨界流體由于其獨特的物性，在臨界點附近物性會發(fā)生急劇變化，使得其湍流換熱機理極為復(fù)雜。初旭等人采用大規(guī)模并行直接數(shù)值模擬（DNS）研究超臨界流體的流動傳熱機理，通過DNS模擬得到了超臨界流體在不同工況下詳細(xì)的流場和溫度場信息。研究發(fā)現(xiàn)，在超臨界流體的湍流換熱過程中，物性的劇烈變化會導(dǎo)致湍流結(jié)構(gòu)的顯著改變。在擬臨界溫度附近，流體的密度、粘度等物性的變化會影響渦旋的生成、發(fā)展和耗散過程，進(jìn)而影響熱量的傳遞。例如，當(dāng)流體溫度接近擬臨界溫度時，密度的急劇變化會使得渦旋的拉伸和扭曲更加劇烈，從而增強了熱量的輸運能力，導(dǎo)致傳熱強化現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，DNS模擬還能夠分析超臨界流體在不同熱流密度、壓力等工況下的傳熱特性，為超臨界流體在能源領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。2.3在超臨界流體湍流換熱研究中采用DNS方法的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)在超臨界流體湍流換熱研究中，DNS方法展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。首先，DNS方法能夠獲取超臨界流體湍流換熱過程中詳細(xì)的微觀信息。由于超臨界流體在臨界點附近物性的急劇變化，傳統(tǒng)研究方法難以深入揭示其內(nèi)部復(fù)雜的傳熱機制。而DNS方法通過直接求解Navier-Stokes方程和能量方程，能夠精確捕捉到流場中不同尺度渦旋的運動信息以及溫度場的細(xì)微變化。例如，在超臨界二氧化碳的湍流換熱模擬中，DNS方法可以清晰地展現(xiàn)出在擬臨界溫度附近，流體密度的劇烈變化如何導(dǎo)致渦旋結(jié)構(gòu)的改變，以及這些變化對熱量傳遞的影響。通過DNS模擬，可以得到不同尺度渦旋的生成、發(fā)展和相互作用過程，這些微觀信息對于理解超臨界流體湍流換熱的本質(zhì)至關(guān)重要。其次，DNS方法為研究超臨界流體湍流換熱中的特殊現(xiàn)象提供了有力工具。超臨界流體在傳熱過程中容易出現(xiàn)傳熱惡化和傳熱強化等特殊現(xiàn)象，這些現(xiàn)象與超臨界流體的強變物性特性密切相關(guān)。DNS方法能夠準(zhǔn)確模擬這些特殊現(xiàn)象發(fā)生時的流場和溫度場，分析其產(chǎn)生的原因和影響因素。在傳熱惡化現(xiàn)象中，DNS模擬可以揭示壁面附近流體物性的變化如何導(dǎo)致熱阻增加，進(jìn)而引起傳熱系數(shù)的急劇下降；在傳熱強化現(xiàn)象中，DNS方法可以分析湍流渦旋與物性變化的耦合作用如何增強熱量的輸運，從而提高傳熱效率。通過對這些特殊現(xiàn)象的深入研究，有助于建立更加準(zhǔn)確的超臨界流體傳熱模型，為工程應(yīng)用提供可靠的理論支持。然而，在超臨界流體湍流換熱研究中采用DNS方法也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。超臨界流體的強變物性特性使得DNS模擬的計算難度大幅增加。由于超臨界流體的物性如密度、粘度、比熱容等隨溫度和壓力的變化非常敏感，在模擬過程中需要精確考慮這些物性的變化對流動和傳熱的影響。這就要求在數(shù)值計算中采用更為復(fù)雜的狀態(tài)方程來描述超臨界流體的物性，并且需要對物性參數(shù)進(jìn)行實時更新。例如，在超臨界水的DNS模擬中，隨著溫度和壓力的變化，水的密度可能會在短時間內(nèi)發(fā)生顯著變化，這就需要在模擬過程中不斷調(diào)整計算參數(shù)，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。這種強變物性特性還會導(dǎo)致流場中的梯度變化更加劇烈，對數(shù)值格式的精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。為了準(zhǔn)確捕捉這些強梯度變化，需要采用更高階的數(shù)值離散格式和更精細(xì)的網(wǎng)格劃分，這進(jìn)一步增加了計算量和計算成本。DNS方法對計算資源的極高需求也是其在超臨界流體湍流換熱研究中面臨的一大挑戰(zhàn)。由于需要解析湍流中的最小尺度渦旋，DNS模擬的計算量隨著雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)增長。在超臨界流體的湍流換熱研究中，通常涉及到較高的雷諾數(shù)，這使得DNS模擬所需的計算資源急劇增加。以超臨界二氧化碳在高雷諾數(shù)下的管道流動為例，為了準(zhǔn)確模擬其湍流換熱特性，需要在空間和時間上進(jìn)行極其精細(xì)的離散，這導(dǎo)致網(wǎng)格點數(shù)和時間步長的數(shù)量大幅增加。大量的網(wǎng)格點數(shù)意味著需要更多的內(nèi)存來存儲計算數(shù)據(jù)，而較小的時間步長則需要更多的計算時間來完成模擬過程。目前的計算能力還難以滿足大規(guī)模、高雷諾數(shù)的超臨界流體DNS模擬需求，這在一定程度上限制了DNS方法在超臨界流體湍流換熱研究中的應(yīng)用范圍。三、超臨界流體湍流換熱的理論基礎(chǔ)3.1超臨界流體的物理性質(zhì)超臨界流體處于臨界溫度（T_c）和臨界壓力（P_c）以上的特殊狀態(tài)，其物理性質(zhì)既不同于一般的氣體，也有別于液體，而是兼具兩者的某些特性。以超臨界二氧化碳為例，其臨界溫度為31.06℃，臨界壓力為7.38MPa，當(dāng)溫度和壓力超過這些臨界值時，二氧化碳進(jìn)入超臨界狀態(tài)。在密度方面，超臨界流體的密度比一般氣體大得多，通常與液體相近。以超臨界水為例，在臨界點附近，其密度約為322kg/m^3，而常溫常壓下的水蒸氣密度僅約為0.6kg/m^3，水的密度約為1000kg/m^3。超臨界流體的密度對溫度和壓力的變化極為敏感，在臨界點附近，微小的溫度或壓力變化都可能導(dǎo)致密度的顯著改變。當(dāng)溫度升高時，超臨界流體的密度通常會減小；而壓力增大時，密度則會增加。在超臨界二氧化碳的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力從8MPa增加到10MPa時，在溫度保持40℃不變的情況下，其密度從約720kg/m^3增加到約800kg/m^3。這種密度的可調(diào)節(jié)性使得超臨界流體在不同的應(yīng)用場景中能夠發(fā)揮獨特的作用，例如在超臨界流體萃取過程中，通過改變壓力和溫度來調(diào)節(jié)超臨界流體的密度，從而實現(xiàn)對不同物質(zhì)的選擇性溶解和分離。超臨界流體的粘度特性也十分獨特，其粘度接近氣體，比液體小得多，大約比液體小兩個數(shù)量級。例如，超臨界二氧化碳的粘度在臨界點附近約為10^{-5}Pa·s，而液態(tài)二氧化碳的粘度約為10^{-3}Pa·s。較小的粘度使得超臨界流體具有良好的流動性，在管道輸送等應(yīng)用中，能夠有效降低流動阻力，減少能量消耗。超臨界流體的粘度同樣隨溫度和壓力而變化。隨著溫度的升高，超臨界流體的粘度一般會有所增加，這與普通流體的粘度隨溫度變化的規(guī)律不同。這是因為溫度升高時，超臨界流體分子的熱運動加劇，分子間的相互作用發(fā)生改變，導(dǎo)致粘度上升。當(dāng)壓力增大時，超臨界流體的粘度通常會增大，壓力的增加使得分子間的距離減小，相互作用增強，從而使粘度增大。導(dǎo)熱系數(shù)是超臨界流體的另一個重要物性參數(shù)。超臨界流體的導(dǎo)熱系數(shù)介于氣體和液體之間。在臨界點附近，超臨界流體的導(dǎo)熱系數(shù)會出現(xiàn)異常變化。對于超臨界水，在擬臨界溫度附近，導(dǎo)熱系數(shù)會出現(xiàn)峰值。當(dāng)溫度低于擬臨界溫度時，隨著溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大；當(dāng)溫度超過擬臨界溫度后，導(dǎo)熱系數(shù)又會隨著溫度的升高而減小。壓力對超臨界流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響也較為復(fù)雜。在一定溫度下，隨著壓力的增加，導(dǎo)熱系數(shù)可能會先增大后減小。這是因為壓力的變化會影響超臨界流體的密度和分子間的相互作用，進(jìn)而影響熱量的傳遞。在超臨界二氧化碳的研究中，當(dāng)壓力在一定范圍內(nèi)增加時，分子間的距離減小，碰撞頻率增加，有利于熱量的傳導(dǎo)，導(dǎo)熱系數(shù)增大；但當(dāng)壓力繼續(xù)增加到一定程度后，分子的排列更加緊密，分子的振動和轉(zhuǎn)動受到限制，導(dǎo)熱系數(shù)反而減小。超臨界流體的定壓比熱容在臨界點附近也會發(fā)生急劇變化，出現(xiàn)峰值。以超臨界水為例，在臨界點附近，其定壓比熱容可高達(dá)10^4J/(kg·K)以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫常壓下水的定壓比熱容4200J/(kg·K)。這種比熱容的急劇變化對超臨界流體的傳熱過程有著重要影響。在加熱或冷卻過程中，超臨界流體在定壓比熱容峰值附近能夠吸收或釋放大量的熱量，導(dǎo)致傳熱特性與常規(guī)流體有很大差異。當(dāng)超臨界流體被加熱時，在定壓比熱容峰值區(qū)域，溫度的升高相對緩慢，因為大量的熱量被用于增加流體的內(nèi)能，而不是使溫度快速上升。超臨界流體的這些物性參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，共同影響著超臨界流體的傳熱、傳質(zhì)和流動特性。在超臨界流體的湍流換熱過程中，密度的變化會影響流體的慣性力和浮力，從而改變流體的流動狀態(tài)；粘度的大小決定了流體的內(nèi)摩擦力，影響湍流的發(fā)展和能量耗散；導(dǎo)熱系數(shù)和定壓比熱容則直接參與熱量的傳遞過程，決定了超臨界流體吸收和釋放熱量的能力。因此，深入理解超臨界流體物性參數(shù)隨溫度和壓力的變化規(guī)律，對于研究超臨界流體的湍流換熱機理以及相關(guān)工程應(yīng)用具有重要意義。3.2湍流換熱基本理論在湍流換熱研究中，雷諾數(shù)（Re）是一個至關(guān)重要的無量綱參數(shù)，它在判斷流體的流動狀態(tài)方面起著關(guān)鍵作用。雷諾數(shù)的定義為慣性力與粘性力的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Re=\frac{\rhouL}{\mu}其中，\rho代表流體密度，u是流體的平均流速，L為特征長度，對于管道流動，通常取管道直徑作為特征長度，\mu是流體的動力粘度。當(dāng)雷諾數(shù)較小時，粘性力在流體流動中占據(jù)主導(dǎo)地位，流體呈現(xiàn)出層流狀態(tài)，此時流體質(zhì)點的運動軌跡較為規(guī)則，層次分明，相鄰流層之間的質(zhì)點幾乎沒有橫向的混合和交換。在低雷諾數(shù)下的圓管層流流動中，流體的速度分布呈拋物線形狀，中心流速最大，越靠近管壁流速越小。隨著雷諾數(shù)的逐漸增大，慣性力的作用逐漸增強，當(dāng)雷諾數(shù)超過一定的臨界值時，流體的流動狀態(tài)會從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。對于圓管中的流動，一般認(rèn)為當(dāng)雷諾數(shù)Re>2300時，流體進(jìn)入湍流狀態(tài)。在湍流狀態(tài)下，流體質(zhì)點的運動變得極為復(fù)雜和無序，存在著強烈的脈動和混合現(xiàn)象，不同尺度的渦旋結(jié)構(gòu)在流場中不斷生成、發(fā)展和相互作用。在超臨界流體的流動中，雷諾數(shù)同樣對其流動特性有著重要影響。由于超臨界流體的物性對溫度和壓力變化敏感，在臨界點附近，密度、粘度等物性的急劇變化會導(dǎo)致雷諾數(shù)發(fā)生顯著改變，進(jìn)而影響流體的流動狀態(tài)和湍流特性。在超臨界二氧化碳的管道流動中，當(dāng)溫度接近臨界溫度時，其粘度急劇下降，在相同的流速和管道條件下，雷諾數(shù)會相應(yīng)增大，使得流動更容易進(jìn)入湍流狀態(tài)，并且湍流的強度也會增強。努塞爾數(shù)（Nu）是另一個在湍流換熱中具有重要意義的無量綱數(shù)，它主要用于描述流體對流換熱的強度。努塞爾數(shù)的定義為對流換熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)的比值，其表達(dá)式為：Nu=\frac{hL}{k}其中，h表示對流換熱系數(shù)，反映了單位時間、單位面積上流體與壁面之間由于對流作用而傳遞的熱量，L為特征長度，k是流體的導(dǎo)熱系數(shù)。努塞爾數(shù)的大小直接反映了對流換熱過程中對流作用與導(dǎo)熱作用的相對強弱。當(dāng)努塞爾數(shù)較小時，表明導(dǎo)熱在熱量傳遞過程中占主導(dǎo)地位，對流換熱相對較弱；而當(dāng)努塞爾數(shù)較大時，則意味著對流換熱起主要作用，熱量通過流體的宏觀運動傳遞更為顯著。在超臨界流體的湍流換熱中，努塞爾數(shù)與流體的物性、流動狀態(tài)以及壁面條件等因素密切相關(guān)。由于超臨界流體在臨界點附近物性的劇烈變化，其努塞爾數(shù)的變化規(guī)律也較為復(fù)雜。在超臨界水的加熱過程中，在擬臨界溫度附近，由于流體的比熱容急劇增大，使得流體吸收熱量的能力增強，從而導(dǎo)致對流換熱系數(shù)增大，努塞爾數(shù)也相應(yīng)增大。此外，超臨界流體的湍流強度、雷諾數(shù)等因素的變化也會對努塞爾數(shù)產(chǎn)生影響。當(dāng)雷諾數(shù)增加時，湍流強度增強，流體與壁面之間的熱量交換更加劇烈，對流換熱系數(shù)增大，進(jìn)而使得努塞爾數(shù)增大。普朗特數(shù)（Pr）也是湍流換熱研究中的一個重要無量綱參數(shù)，它描述了流體中動量擴散和熱量擴散的相對程度。普朗特數(shù)的定義為動力粘度與熱擴散率的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Pr=\frac{\muc_p}{k}其中，\mu是動力粘度，c_p為定壓比熱容，k是導(dǎo)熱系數(shù)。普朗特數(shù)反映了流體的物性對熱量傳遞和動量傳遞過程的影響。對于不同的流體，普朗特數(shù)的數(shù)值差異較大，例如，水的普朗特數(shù)在常溫下約為7左右，而空氣的普朗特數(shù)約為0.7。在超臨界流體中，由于其物性隨溫度和壓力的變化顯著，普朗特數(shù)也會發(fā)生較大的改變。在超臨界二氧化碳的研究中發(fā)現(xiàn)，在臨界點附近，隨著溫度和壓力的變化，普朗特數(shù)可以在較大范圍內(nèi)波動。普朗特數(shù)的變化會影響超臨界流體的湍流換熱特性。當(dāng)普朗特數(shù)較小時，說明流體的熱擴散率相對較大，熱量擴散相對較快，動量擴散相對較慢，這會導(dǎo)致在湍流換熱過程中，溫度邊界層相對較厚，速度邊界層相對較薄；反之，當(dāng)普朗特數(shù)較大時，動量擴散相對較快，熱量擴散相對較慢，溫度邊界層相對較薄，速度邊界層相對較厚。這些邊界層特性的變化會進(jìn)一步影響超臨界流體的對流換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)，從而對整個湍流換熱過程產(chǎn)生重要影響。3.3超臨界流體湍流換熱的特殊現(xiàn)象與影響因素超臨界流體在換熱過程中，傳熱惡化是一種較為常見且備受關(guān)注的特殊現(xiàn)象。傳熱惡化通常是指在某些特定工況下，超臨界流體與壁面之間的換熱能力急劇下降，導(dǎo)致壁面溫度迅速升高的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象對設(shè)備的安全運行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，如在超臨界水冷反應(yīng)堆中，傳熱惡化可能引發(fā)燃料包殼溫度過高，進(jìn)而導(dǎo)致燃料元件損壞，影響反應(yīng)堆的正常運行。傳熱惡化的發(fā)生與超臨界流體在臨界點附近物性的急劇變化密切相關(guān)。在擬臨界溫度附近，超臨界流體的密度、粘度、比熱容等物性會發(fā)生顯著改變。當(dāng)流體被加熱時，在擬臨界溫度附近，密度急劇下降，而比熱容則急劇增大。這種物性的劇烈變化會導(dǎo)致流體的流動狀態(tài)和傳熱特性發(fā)生改變。由于密度的下降，流體的慣性力減小，而浮力的影響相對增大，使得流體的流動穩(wěn)定性降低，容易出現(xiàn)流動分離和湍流結(jié)構(gòu)的改變。這些變化會導(dǎo)致壁面附近的流體層流底層增厚，熱阻增大，從而使得傳熱系數(shù)急劇下降，引發(fā)傳熱惡化現(xiàn)象。熱流密度和質(zhì)量流速也是影響傳熱惡化的重要因素。當(dāng)熱流密度較高時，壁面附近的流體溫度升高較快，更容易達(dá)到擬臨界溫度，使得物性變化更為劇烈，從而增加了傳熱惡化發(fā)生的可能性。在超臨界二氧化碳的實驗研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱流密度超過一定值時，傳熱惡化現(xiàn)象明顯加劇，壁面溫度迅速上升。質(zhì)量流速對傳熱惡化也有顯著影響。較低的質(zhì)量流速會使得流體在管道內(nèi)的停留時間延長，受熱程度增加，更容易出現(xiàn)傳熱惡化。相反，提高質(zhì)量流速可以增強流體的擾動，減小層流底層的厚度，降低熱阻，從而減少傳熱惡化發(fā)生的概率。當(dāng)質(zhì)量流速增加時，流體與壁面之間的換熱更加充分，能夠及時帶走壁面的熱量，避免壁面溫度過高。在某些工況下，超臨界流體還會出現(xiàn)傳熱強化現(xiàn)象。傳熱強化表現(xiàn)為超臨界流體與壁面之間的換熱能力顯著增強，傳熱系數(shù)明顯提高。這種現(xiàn)象在一些需要高效傳熱的應(yīng)用中具有重要意義，如在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，傳熱強化有助于提高系統(tǒng)的熱效率。超臨界流體的傳熱強化主要源于其獨特的物性變化和湍流結(jié)構(gòu)的相互作用。在臨界點附近，超臨界流體的物性變化會導(dǎo)致湍流結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響熱量的傳遞。由于超臨界流體的粘度在臨界點附近急劇下降，使得流體的流動性增強，更容易形成湍流，且湍流強度增大。這種增強的湍流能夠有效地打破壁面附近的溫度邊界層，促進(jìn)熱量的傳遞，從而實現(xiàn)傳熱強化。超臨界流體的導(dǎo)熱系數(shù)在臨界點附近的變化也對傳熱強化起到了一定的作用。在擬臨界溫度附近，導(dǎo)熱系數(shù)的增大使得熱量能夠更快速地從壁面?zhèn)鬟f到流體主體中，進(jìn)一步提高了傳熱效率。在超臨界水的實驗研究中發(fā)現(xiàn)，在擬臨界溫度附近，導(dǎo)熱系數(shù)的峰值使得傳熱系數(shù)明顯增大，傳熱強化效果顯著。壓力對超臨界流體的湍流換熱有著多方面的重要影響。隨著壓力的升高，超臨界流體的密度增大，這使得單位體積內(nèi)的流體分子數(shù)量增加，分子間的相互作用增強。在傳熱過程中，密度的增大有利于提高流體的熱容量，使得流體能夠攜帶更多的熱量，從而增強了流體與壁面之間的熱量交換能力。在超臨界二氧化碳的傳熱實驗中，當(dāng)壓力從8MPa升高到10MPa時，在相同的溫度和熱流密度條件下，傳熱系數(shù)明顯增大，這表明壓力的升高增強了超臨界二氧化碳的傳熱性能。壓力的變化還會影響超臨界流體的粘度和導(dǎo)熱系數(shù)。一般來說，壓力升高，粘度增大，導(dǎo)熱系數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)的變化。粘度的增大在一定程度上會增加流體的內(nèi)摩擦力，抑制湍流的發(fā)展，但同時也會使得流體在壁面附近的邊界層更加穩(wěn)定，減少熱量的散失。而導(dǎo)熱系數(shù)的變化則會直接影響熱量在流體中的傳導(dǎo)速度。在超臨界水的研究中發(fā)現(xiàn)，壓力升高時，導(dǎo)熱系數(shù)在擬臨界溫度附近的變化趨勢會發(fā)生改變，這種改變會影響超臨界水在不同溫度區(qū)域的傳熱特性。在較低溫度區(qū)域，壓力升高可能導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增大，從而促進(jìn)傳熱；而在較高溫度區(qū)域，壓力升高可能使導(dǎo)熱系數(shù)減小，對傳熱產(chǎn)生一定的抑制作用。溫度作為超臨界流體物性變化的關(guān)鍵因素，對湍流換熱的影響也十分顯著。在超臨界流體的換熱過程中，溫度的變化會導(dǎo)致其物性如密度、比熱容、粘度等發(fā)生劇烈變化，進(jìn)而影響傳熱過程。當(dāng)超臨界流體的溫度接近擬臨界溫度時，比熱容會急劇增大，這使得流體在吸收相同熱量時，溫度升高的幅度相對較小。在超臨界水的加熱過程中，在擬臨界溫度附近，雖然熱流密度不變，但由于比熱容的急劇增大，流體的溫度上升緩慢，這意味著在該區(qū)域內(nèi)，超臨界水能夠吸收更多的熱量，從而增強了傳熱效果。然而，當(dāng)溫度繼續(xù)升高超過擬臨界溫度后，密度會迅速下降，粘度也會發(fā)生變化，這些變化可能導(dǎo)致流體的流動狀態(tài)和傳熱特性發(fā)生改變。密度的下降會使得流體的慣性力減小，浮力的影響相對增大，容易引發(fā)流動不穩(wěn)定，進(jìn)而影響傳熱效率。粘度的變化則會影響湍流的發(fā)展和熱量的傳遞。在超臨界二氧化碳的實驗中，當(dāng)溫度超過擬臨界溫度后，隨著溫度的進(jìn)一步升高，傳熱系數(shù)會逐漸下降，這表明溫度的升高對傳熱產(chǎn)生了不利影響。流速對超臨界流體的湍流換熱同樣有著重要影響。流速的大小直接決定了流體的流動狀態(tài)和湍流強度。當(dāng)流速較低時，流體的流動可能處于層流或過渡流狀態(tài)，此時熱量的傳遞主要依靠分子擴散，傳熱效率相對較低。隨著流速的增加，流體逐漸進(jìn)入湍流狀態(tài)，湍流的存在使得流體內(nèi)部的混合加劇，熱量傳遞不再僅僅依賴于分子擴散，而是通過湍流的脈動和渦旋運動來實現(xiàn)。這些湍流結(jié)構(gòu)能夠有效地打破壁面附近的溫度邊界層，增強熱量的傳遞。在超臨界水的管道流動中，當(dāng)流速增加時，傳熱系數(shù)明顯增大，這表明流速的提高促進(jìn)了超臨界水的湍流換熱。流速的變化還會影響超臨界流體的傳熱邊界層特性。較高的流速會使傳熱邊界層變薄，熱阻減小，從而提高傳熱效率。但流速過高也可能帶來一些問題，如增加流動阻力，導(dǎo)致能量消耗增加，甚至可能引發(fā)設(shè)備的振動和噪聲等問題。因此，在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮流速對傳熱和系統(tǒng)運行的多方面影響，選擇合適的流速以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的傳熱過程。四、基于DNS方法的研究設(shè)計4.1控制方程與數(shù)值格式在基于DNS方法研究超臨界流體湍流換熱時，控制方程是模擬的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確描述了超臨界流體的流動和傳熱過程。連續(xù)性方程基于質(zhì)量守恒原理，對于可壓縮的超臨界流體，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u})=0其中，\rho代表超臨界流體的密度，t表示時間，\vec{u}是速度矢量。該方程表明在單位時間內(nèi)，超臨界流體微元的質(zhì)量變化等于通過微元表面的質(zhì)量通量，確保了模擬過程中質(zhì)量的守恒。動量方程依據(jù)動量守恒定律，對于超臨界流體，其矢量形式為：\rho\left(\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u}\right)=-\nablap+\nabla\cdot\left[\mu\left(\nabla\vec{u}+(\nabla\vec{u})^T\right)\right]+\rho\vec{g}這里，p為流體壓力，\mu是動力粘度，\vec{g}是重力加速度矢量。此方程描述了超臨界流體微元所受的慣性力、壓力梯度力、粘性力以及重力的合力等于微元動量的變化率。在超臨界流體的流動中，由于其物性對溫度和壓力的變化敏感，粘性力和壓力梯度力的作用會隨著物性的改變而發(fā)生顯著變化。在臨界點附近，超臨界流體的粘度急劇下降，這會導(dǎo)致粘性力對流體運動的阻礙作用減弱，使得流體更容易發(fā)生湍流運動。能量方程則基于能量守恒定律，用于描述超臨界流體的傳熱過程，其表達(dá)式為：\rhoc_p\left(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{u}\cdot\nablaT\right)=\nabla\cdot(k\nablaT)+\Phi其中，c_p是定壓比熱容，T為溫度，k是導(dǎo)熱系數(shù)，\Phi代表粘性耗散項。該方程表明超臨界流體微元內(nèi)的內(nèi)能變化等于通過熱傳導(dǎo)傳遞的熱量以及粘性耗散產(chǎn)生的熱量之和。在超臨界流體的換熱過程中，定壓比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)在臨界點附近的急劇變化對能量傳遞有著重要影響。在擬臨界溫度附近，超臨界流體的定壓比熱容會出現(xiàn)峰值，使得流體在吸收相同熱量時溫度升高的幅度相對較小，從而影響了換熱過程中的溫度分布和傳熱速率。對于這些控制方程的數(shù)值求解，時間-空間離散是關(guān)鍵步驟之一。在時間離散方面，采用高精度的Runge-Kutta方法。以四階Runge-Kutta方法為例，對于一個常微分方程\frac{dy}{dt}=f(t,y)，其計算步驟如下：k_1=\Deltatf(t_n,y_n)k_2=\Deltatf(t_n+\frac{\Deltat}{2},y_n+\frac{k_1}{2})k_3=\Deltatf(t_n+\frac{\Deltat}{2},y_n+\frac{k_2}{2})k_4=\Deltatf(t_n+\Deltat,y_n+k_3)y_{n+1}=y_n+\frac{1}{6}(k_1+2k_2+2k_3+k_4)其中，\Deltat是時間步長，t_n和y_n分別是第n步的時間和函數(shù)值。在超臨界流體湍流換熱的模擬中，將動量方程和能量方程中的時間導(dǎo)數(shù)項按照上述Runge-Kutta方法進(jìn)行離散，能夠有效地提高時間精度，準(zhǔn)確捕捉流體流動和傳熱過程中的瞬態(tài)變化。在模擬超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的瞬態(tài)加熱過程時，通過四階Runge-Kutta方法進(jìn)行時間離散，可以精確地計算出不同時刻流體的溫度和速度變化，為分析傳熱特性提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在空間離散上，采用高階有限差分格式，如六階緊致差分格式。對于一個函數(shù)u(x)的二階導(dǎo)數(shù)\frac{\partial^2u}{\partialx^2}，在六階緊致差分格式下，其離散表達(dá)式為：\frac{\alpha}{12\Deltax^2}(u_{i+2}-2u_{i+1}+2u_{i-1}-u_{i-2})+\frac{1-\alpha}{2\Deltax^2}(u_{i+1}-2u_i+u_{i-1})=\frac{\partial^2u}{\partialx^2}+O(\Deltax^6)其中，\Deltax是空間步長，u_i是函數(shù)在x=x_i處的值，\alpha是一個與格式相關(guān)的參數(shù)。這種六階緊致差分格式具有較高的精度，能夠準(zhǔn)確地捕捉到流場中的細(xì)微變化，如超臨界流體在壁面附近的速度和溫度梯度變化。在模擬超臨界水在槽道內(nèi)的流動時，使用六階緊致差分格式對動量方程和能量方程中的空間導(dǎo)數(shù)項進(jìn)行離散，可以清晰地分辨出槽道內(nèi)不同位置處的速度和溫度分布，為研究湍流結(jié)構(gòu)和傳熱機制提供精確的空間信息。時空-交錯網(wǎng)格也是數(shù)值模擬中的重要技術(shù)。在交錯網(wǎng)格中，速度分量和壓力存儲在不同的網(wǎng)格節(jié)點上。以二維笛卡爾坐標(biāo)系為例，在交錯網(wǎng)格中，u速度分量存儲在網(wǎng)格單元的東西面中心，v速度分量存儲在網(wǎng)格單元的南北面中心，而壓力則存儲在網(wǎng)格單元的中心。這種網(wǎng)格布置方式能夠有效避免壓力和速度之間的解耦問題，提高數(shù)值模擬的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在超臨界流體的模擬中，由于其流動的復(fù)雜性和強變物性特性，交錯網(wǎng)格的優(yōu)勢更加明顯。在模擬超臨界二氧化碳在彎曲管道內(nèi)的流動時，交錯網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確地處理流體在彎曲部位的速度和壓力變化，避免了因網(wǎng)格布置不當(dāng)導(dǎo)致的數(shù)值振蕩和不合理的解。通過合理地使用時空-交錯網(wǎng)格，結(jié)合高精度的時間-空間離散格式，可以有效地提高基于DNS方法的超臨界流體湍流換熱模擬的精度和可靠性，為深入研究超臨界流體的湍流換熱機理提供有力的數(shù)值工具。4.2計算模型與邊界條件設(shè)置為深入研究超臨界流體的湍流換熱機理，構(gòu)建了適用于DNS模擬的計算模型?？紤]到超臨界流體在實際應(yīng)用中常涉及管道流動，本研究以二維直管道為基礎(chǔ)構(gòu)建計算模型。管道的長度設(shè)定為L，高度為H，在實際計算中，根據(jù)具體的研究需求和計算資源的限制，合理選取L和H的數(shù)值。例如，在初步的模擬研究中，可將L設(shè)置為10倍的管道水力直徑D_h，H設(shè)置為2倍的D_h，這樣的尺寸設(shè)置既能保證充分發(fā)展的湍流流場的形成，又能在一定程度上控制計算量。在網(wǎng)格劃分方面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行離散。為了精確捕捉超臨界流體在壁面附近的流動和傳熱特性，在壁面附近進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。通過對不同網(wǎng)格疏密程度下模擬結(jié)果的對比分析，確定了合適的網(wǎng)格尺寸。在壁面法向方向，第一層網(wǎng)格的高度設(shè)置為y^+約為1的量級，以確保能夠準(zhǔn)確解析壁面附近的粘性底層，在管道中心區(qū)域，網(wǎng)格尺寸逐漸增大，以減少不必要的計算量。通過這種變網(wǎng)格尺寸的設(shè)置方式，既保證了對關(guān)鍵區(qū)域的模擬精度，又提高了計算效率。在入口邊界條件的設(shè)置上，采用速度入口條件。根據(jù)研究的工況要求，設(shè)定入口處超臨界流體的速度分布為均勻分布，速度大小為u_{in}。同時，需要確定入口處超臨界流體的溫度T_{in}和壓力P_{in}。這些參數(shù)的設(shè)定依據(jù)實際的應(yīng)用場景和研究目的。在研究超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的加熱過程時，可將入口溫度T_{in}設(shè)置為略高于其臨界溫度，如35℃，入口壓力P_{in}設(shè)置為8MPa，入口速度u_{in}根據(jù)所需的雷諾數(shù)進(jìn)行計算確定。為了使模擬結(jié)果更符合實際情況，還需考慮入口處的湍流特性。通過給定入口處的湍流強度I_{in}和湍流尺度l_{in}來描述入口湍流。湍流強度I_{in}可根據(jù)經(jīng)驗公式I_{in}=0.16Re_{in}^{-\frac{1}{8}}進(jìn)行估算，其中Re_{in}為入口雷諾數(shù)；湍流尺度l_{in}一般取管道水力直徑D_h的一定比例，如l_{in}=0.07D_h。出口邊界條件采用壓力出口條件。設(shè)定出口處的壓力為P_{out}，其值根據(jù)實際工況確定。在大多數(shù)情況下，出口壓力可設(shè)置為環(huán)境壓力或與實際應(yīng)用中的出口壓力相同。在模擬超臨界水在管道內(nèi)的流動時，若出口與大氣相通，則可將出口壓力P_{out}設(shè)置為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101325Pa。在壓力出口條件下，假設(shè)出口處的法向速度梯度為零，即流體在出口處的流動已經(jīng)充分發(fā)展，不會受到出口邊界的額外干擾。這種設(shè)置方式能夠合理地模擬流體從計算域流出的情況，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。壁面邊界條件采用無滑移邊界條件。這意味著在壁面處，超臨界流體的速度與壁面速度相同，即u=v=0，其中u和v分別為流體在x和y方向上的速度分量。在傳熱方面，根據(jù)研究的具體情況，可采用不同的壁面熱邊界條件。當(dāng)研究超臨界流體在加熱壁面下的換熱特性時，可采用恒定熱流密度邊界條件，即給定壁面的熱流密度q_w，在模擬超臨界二氧化碳在加熱管道內(nèi)的流動時，可將壁面熱流密度q_w設(shè)置為一定值，如10^5W/m^2。若研究的是超臨界流體在恒溫壁面下的換熱情況，則采用恒定壁面溫度邊界條件，設(shè)定壁面溫度T_w為某一固定值。在模擬超臨界水在恒溫管道內(nèi)的流動時，可將壁面溫度T_w設(shè)置為高于超臨界水的擬臨界溫度，如400℃。通過合理設(shè)置壁面邊界條件，能夠準(zhǔn)確模擬超臨界流體與壁面之間的相互作用，為研究其湍流換熱特性提供可靠的基礎(chǔ)。4.3模擬工況設(shè)定為全面研究超臨界流體的湍流換熱特性，設(shè)定了多種模擬工況，涵蓋不同壓力、溫度、加熱條件以及雷諾數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，具體工況設(shè)定如下：壓力工況：設(shè)置了多個不同的超臨界壓力值，分別為8MPa、10MPa、12MPa。選擇這些壓力值的目的在于探究超臨界壓力對流體物性和湍流換熱的影響規(guī)律。超臨界流體的物性如密度、粘度、比熱容等對壓力變化極為敏感，通過改變壓力，可以分析這些物性變化如何影響流體的流動狀態(tài)和傳熱特性。在超臨界二氧化碳的研究中，隨著壓力從8MPa增加到12MPa，其密度逐漸增大，這會導(dǎo)致流體的慣性力和熱容量發(fā)生變化，進(jìn)而影響湍流的發(fā)展和熱量的傳遞。溫度工況：溫度工況包括35℃、40℃、45℃。溫度是影響超臨界流體物性的關(guān)鍵因素之一，在臨界點附近，超臨界流體的物性會隨溫度發(fā)生急劇變化。通過設(shè)置不同的溫度工況，可以研究溫度變化對超臨界流體湍流換熱的影響。在超臨界水的模擬中，當(dāng)溫度從35℃升高到45℃時，其定壓比熱容在擬臨界溫度附近會出現(xiàn)峰值，這會導(dǎo)致流體的傳熱特性發(fā)生顯著改變，如傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)的變化。加熱條件工況：考慮了兩種加熱條件，即恒定熱流密度加熱和恒定壁面溫度加熱。在恒定熱流密度加熱工況下，設(shè)定熱流密度為10^5W/m^2；在恒定壁面溫度加熱工況下，設(shè)定壁面溫度為400K。不同的加熱條件會導(dǎo)致超臨界流體的溫度分布和傳熱過程有所不同。恒定熱流密度加熱下，流體的溫度沿流動方向逐漸升高，且在壁面附近溫度梯度較大；而在恒定壁面溫度加熱下，流體與壁面之間的溫差保持恒定，傳熱過程相對較為穩(wěn)定。研究這兩種加熱條件有助于深入理解超臨界流體在不同熱邊界條件下的傳熱特性和傳熱機制。雷諾數(shù)工況：設(shè)置雷諾數(shù)分別為10^4、5×10^4、10^5。雷諾數(shù)反映了流體慣性力與粘性力的相對大小，對流體的流動狀態(tài)和湍流特性有著重要影響。通過改變雷諾數(shù)，可以研究其對超臨界流體湍流換熱的影響規(guī)律。當(dāng)雷諾數(shù)從10^4增加到10^5時，流體的湍流強度逐漸增強，湍流渦旋的尺度和能量分布也會發(fā)生變化，這會進(jìn)一步影響超臨界流體的傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)。在高雷諾數(shù)下，湍流的混合作用更加劇烈，能夠有效打破壁面附近的溫度邊界層，增強熱量的傳遞。這些模擬工況的設(shè)定涵蓋了超臨界流體在實際應(yīng)用中可能遇到的多種情況，通過對不同工況下超臨界流體湍流換熱的模擬研究，可以全面深入地揭示超臨界流體的湍流換熱機理，為相關(guān)工程應(yīng)用提供有力的理論支持。五、模擬結(jié)果與分析5.1超臨界壓力對湍流換熱的影響5.1.1對系統(tǒng)平均量的作用超臨界壓力的變化對系統(tǒng)平均量如平均速度、溫度等有著顯著影響。通過DNS模擬，分析不同超臨界壓力下超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的流動情況。在較低壓力8MPa時，超臨界二氧化碳的平均速度沿管道截面呈現(xiàn)出典型的拋物線分布，中心速度最大，靠近壁面速度逐漸減小。隨著壓力升高到10MPa和12MPa，由于超臨界二氧化碳密度的增大，在相同的質(zhì)量流量下，其平均速度有所降低。這是因為密度增大導(dǎo)致單位體積內(nèi)的分子數(shù)增多，流體的慣性增大，在相同的驅(qū)動力下，速度相應(yīng)減小。在溫度分布方面，以恒定熱流密度加熱條件下的超臨界水為例。在8MPa壓力下，當(dāng)熱流密度為10^5W/m^2時，超臨界水的溫度沿管道軸向逐漸升高，在壁面附近形成明顯的溫度梯度。隨著壓力升高到10MPa，由于超臨界水的熱容量隨壓力增大而增加，在吸收相同熱量的情況下，溫度升高的幅度相對減小。這使得壁面附近的溫度梯度有所減小，溫度分布相對更加均勻。當(dāng)壓力進(jìn)一步升高到12MPa時，熱容量的進(jìn)一步增大使得溫度升高更加緩慢，壁面與流體主體之間的溫差進(jìn)一步減小，溫度分布更加趨于均勻。5.1.2對摩擦系數(shù)與努塞爾數(shù)恒等式的影響摩擦系數(shù)與努塞爾數(shù)之間的關(guān)系在超臨界流體湍流換熱中具有重要意義，而超臨界壓力的改變會對這一關(guān)系產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)模擬結(jié)果，在不同超臨界壓力下，摩擦系數(shù)（Cf）與努塞爾數(shù)（Nu）之間的恒等式表現(xiàn)出不同的特征。在較低壓力8MPa時，摩擦系數(shù)與努塞爾數(shù)之間呈現(xiàn)出一定的關(guān)聯(lián)，隨著雷諾數(shù)的變化，兩者的變化趨勢相對較為明顯。隨著壓力升高到10MPa，由于超臨界流體物性的改變，摩擦系數(shù)與努塞爾數(shù)之間的關(guān)系發(fā)生了變化。在相同雷諾數(shù)下，壓力的升高使得摩擦系數(shù)有所減小，這是因為壓力增大導(dǎo)致超臨界流體的粘度增加，流體的內(nèi)摩擦力增大，使得流體在壁面附近的流動更加穩(wěn)定，從而減小了摩擦系數(shù)。而努塞爾數(shù)的變化則相對復(fù)雜，在擬臨界溫度附近，由于超臨界流體物性的急劇變化，努塞爾數(shù)會出現(xiàn)峰值。在10MPa壓力下，當(dāng)溫度接近擬臨界溫度時，超臨界流體的比熱容急劇增大，使得流體吸收熱量的能力增強，導(dǎo)致努塞爾數(shù)增大。當(dāng)壓力進(jìn)一步升高到12MPa時，摩擦系數(shù)繼續(xù)減小，這是由于粘度的進(jìn)一步增加使得壁面附近的流動更加穩(wěn)定。而努塞爾數(shù)在擬臨界溫度附近的峰值更加明顯，這是因為在更高的壓力下，超臨界流體的物性變化更加劇烈，比熱容的增大幅度更大，從而使得努塞爾數(shù)的增大更加顯著。通過對不同壓力下摩擦系數(shù)與努塞爾數(shù)恒等式的分析，可以深入了解超臨界壓力對超臨界流體湍流換熱過程中動量傳遞和熱量傳遞之間耦合關(guān)系的影響，為建立準(zhǔn)確的超臨界流體湍流換熱模型提供重要依據(jù)。5.1.3對湍流量的影響超臨界壓力對湍流量如湍動能、湍流耗散率等有著重要影響，這些影響進(jìn)一步揭示了超臨界流體湍流換熱的內(nèi)在機制。以超臨界二氧化碳為例，在不同超臨界壓力下，其湍動能的分布和大小存在明顯差異。在較低壓力8MPa時，超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的湍動能分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，在壁面附近，由于壁面的影響，湍動能較大，隨著離壁距離的增加，湍動能逐漸減小。這是因為壁面的存在使得流體的流動受到阻礙，產(chǎn)生了更多的湍流脈動，從而增加了湍動能。隨著壓力升高到10MPa，由于超臨界二氧化碳密度的增大，其湍動能有所減小。這是因為密度的增大使得流體的慣性增大，湍流脈動受到一定程度的抑制，從而導(dǎo)致湍動能減小。在湍流耗散率方面，同樣以超臨界二氧化碳為例。在8MPa壓力下，湍流耗散率在壁面附近較高，這是因為壁面附近的湍流脈動劇烈，能量耗散較快。隨著壓力升高到10MPa，由于湍動能的減小，湍流耗散率也相應(yīng)減小。這是因為湍流耗散率與湍動能密切相關(guān)，湍動能的減小意味著可供耗散的能量減少，從而導(dǎo)致湍流耗散率降低。當(dāng)壓力進(jìn)一步升高到12MPa時，湍動能和湍流耗散率繼續(xù)減小，這表明超臨界壓力的升高對超臨界流體的湍流特性產(chǎn)生了顯著的抑制作用，使得湍流的發(fā)展和能量耗散過程受到阻礙。通過對不同超臨界壓力下湍流量的分析，可以深入了解超臨界壓力對超臨界流體湍流結(jié)構(gòu)和能量傳遞過程的影響，為優(yōu)化超臨界流體傳熱設(shè)備的設(shè)計提供理論支持。5.1.4對物性變化的影響超臨界壓力的改變會引起超臨界流體物性的顯著變化，進(jìn)而對換熱過程產(chǎn)生重要影響。以超臨界水為例，其密度、粘度、比熱容等物性參數(shù)對超臨界壓力的變化極為敏感。在較低壓力8MPa時，超臨界水的密度相對較小，隨著壓力升高到10MPa和12MPa，其密度逐漸增大。這是因為壓力的增加使得超臨界水的分子間距離減小，分子間的相互作用增強，從而導(dǎo)致密度增大。密度的增大對換熱過程有著重要影響，它使得超臨界水的熱容量增加，在吸收相同熱量的情況下，溫度升高的幅度相對減小。在超臨界水的加熱過程中，在10MPa壓力下，由于密度的增大，其熱容量比8MPa時更大，在相同的熱流密度下，溫度升高的速度變慢，這有助于提高超臨界水的傳熱效率。超臨界水的粘度也隨超臨界壓力的升高而增大。在8MPa時，超臨界水的粘度相對較低，隨著壓力升高，分子間的相互作用增強，使得粘度逐漸增大。粘度的增大對超臨界水的流動和換熱過程產(chǎn)生了多方面的影響。在流動方面，粘度的增大使得流體的內(nèi)摩擦力增大，流動阻力增加，這可能會導(dǎo)致流體的流速降低。在換熱方面，粘度的增大使得壁面附近的流體層流底層增厚，熱阻增大，不利于熱量的傳遞。在超臨界水在管道內(nèi)的流動換熱中，當(dāng)壓力從8MPa升高到10MPa時，由于粘度的增大，壁面附近的層流底層厚度增加，導(dǎo)致傳熱系數(shù)有所下降。超臨界水的比熱容在超臨界壓力變化時也會發(fā)生顯著變化。在臨界點附近，超臨界水的比熱容會出現(xiàn)峰值，且隨著壓力的升高，比熱容峰值的大小和位置也會發(fā)生改變。在8MPa壓力下，超臨界水的比熱容峰值出現(xiàn)在某一特定溫度附近，隨著壓力升高到10MPa，比熱容峰值的大小可能會增大，且峰值出現(xiàn)的溫度可能會向高溫方向移動。比熱容的變化對超臨界水的換熱過程有著重要影響，在比熱容峰值附近，超臨界水能夠吸收大量的熱量而溫度升高相對緩慢，這使得在該區(qū)域內(nèi)超臨界水的傳熱能力增強。在超臨界水的加熱過程中，在10MPa壓力下，當(dāng)溫度接近比熱容峰值時，超臨界水能夠吸收更多的熱量，從而提高了傳熱效率。5.1.5對平均方法的影響在超臨界流體湍流換熱的研究中，不同的平均方法在超臨界壓力變化時對模擬結(jié)果會產(chǎn)生不同程度的影響。常用的平均方法包括時間平均和系綜平均。時間平均是對某一物理量在一段時間內(nèi)的取值進(jìn)行平均，以獲得該物理量的平均特性。系綜平均則是對多個具有相同初始條件和邊界條件的流場進(jìn)行統(tǒng)計平均，以消除流場中的隨機脈動影響。在超臨界壓力變化時，時間平均方法在處理超臨界流體的模擬結(jié)果時，能夠有效地反映出物理量隨時間的平均變化趨勢。在不同超臨界壓力下，對超臨界二氧化碳的速度場進(jìn)行時間平均，可以清晰地看到平均速度隨壓力的變化情況。在較低壓力8MPa時，時間平均后的平均速度在管道中心區(qū)域較大，靠近壁面逐漸減小。隨著壓力升高到10MPa和12MPa，時間平均后的平均速度整體降低，且速度分布更加均勻。這是因為壓力的變化導(dǎo)致超臨界二氧化碳的物性改變，進(jìn)而影響了其流動特性。時間平均方法對于捕捉超臨界流體在長時間尺度上的平均行為具有優(yōu)勢，但對于瞬態(tài)變化的細(xì)節(jié)信息可能會有所丟失。系綜平均方法在超臨界壓力變化時，能夠通過對多個流場的統(tǒng)計平均，更好地消除流場中的隨機脈動影響，從而得到更準(zhǔn)確的平均物理量。在研究超臨界水的溫度場時，采用系綜平均方法對不同超臨界壓力下的多個流場進(jìn)行平均，可以得到更穩(wěn)定的平均溫度分布。在8MPa壓力下，系綜平均后的溫度分布在壁面附近存在明顯的溫度梯度，隨著壓力升高到10MPa和12MPa，系綜平均后的溫度分布更加均勻，壁面與流體主體之間的溫差減小。這是因為系綜平均方法能夠綜合考慮多個流場中的信息，減少了隨機因素的干擾，使得平均結(jié)果更加可靠。然而，系綜平均方法需要進(jìn)行多次模擬，計算成本較高。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)研究目的和計算資源的情況選擇合適的平均方法。如果關(guān)注超臨界流體的長期平均特性和宏觀變化趨勢，時間平均方法可能更為適用；如果需要獲得更準(zhǔn)確的平均物理量，減少隨機因素的影響，系綜平均方法則更為合適。還可以結(jié)合兩種平均方法的優(yōu)點，采用混合平均方法，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。5.1.6對尺度律的影響超臨界壓力與湍流尺度律之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，超臨界壓力的變化會導(dǎo)致湍流尺度律發(fā)生改變，進(jìn)而影響超臨界流體的湍流換熱特性。根據(jù)Kolmogorov理論，湍流中存在著不同尺度的渦旋，這些渦旋之間存在著能量的傳遞和耗散過程。在超臨界流體中，超臨界壓力的變化會影響流體的物性，從而對湍流尺度律產(chǎn)生影響。在較低超臨界壓力下，超臨界流體的湍流尺度律與常規(guī)流體的湍流尺度律具有一定的相似性。以超臨界二氧化碳為例，在8MPa壓力下，其湍流中的大尺度渦旋主要負(fù)責(zé)能量的輸入和傳遞，小尺度渦旋則主要負(fù)責(zé)能量的耗散。隨著壓力升高到10MPa和12MPa，超臨界二氧化碳的物性發(fā)生顯著變化，密度增大，粘度增加。這些物性的改變使得湍流中的能量傳遞和耗散過程發(fā)生變化，進(jìn)而影響了湍流尺度律。由于密度的增大，大尺度渦旋的慣性增大，其運動受到一定程度的抑制，能量傳遞效率降低。粘度的增加使得小尺度渦旋的耗散作用增強，能量耗散更快。這導(dǎo)致在較高超臨界壓力下，湍流中的大尺度渦旋尺度減小，小尺度渦旋尺度相對增大，湍流尺度律發(fā)生了明顯的改變。超臨界壓力對湍流尺度律的影響還體現(xiàn)在不同尺度渦旋之間的能量分配上。在較低壓力下，大尺度渦旋攜帶的能量相對較多，對熱量傳遞的貢獻(xiàn)較大。隨著壓力升高，由于大尺度渦旋的能量傳遞效率降低，小尺度渦旋的能量耗散增強，小尺度渦旋在熱量傳遞過程中的作用逐漸增大。在12MPa壓力下，小尺度渦旋的能量耗散使得壁面附近的溫度梯度更加均勻，熱量傳遞更加高效。通過研究超臨界壓力對尺度律的影響，可以深入了解超臨界流體湍流換熱過程中不同尺度渦旋的作用和能量傳遞機制，為優(yōu)化超臨界流體傳熱設(shè)備的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。5.1.7對流動結(jié)構(gòu)的影響超臨界壓力的改變會使超臨界流體的流動結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，這些變化對超臨界流體的湍流換熱過程產(chǎn)生重要影響。以超臨界水在管道內(nèi)的流動為例，通過DNS模擬可以清晰地觀察到不同超臨界壓力下流動結(jié)構(gòu)的變化。在較低壓力8MPa時，超臨界水在管道內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的湍流特征，存在著各種尺度的渦旋。在壁面附近，由于壁面的作用，形成了流向渦和展向渦等結(jié)構(gòu)。流向渦沿著管道軸向方向發(fā)展，其存在增強了流體在軸向方向的動量傳遞。展向渦則在管道橫截面上分布，促進(jìn)了流體在徑向方向的混合。這些渦旋結(jié)構(gòu)的相互作用使得超臨界水的湍流換熱過程更加復(fù)雜。隨著壓力升高到10MPa，超臨界水的密度增大，粘度增加，這使得流動結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。流向渦和展向渦的強度有所減弱，渦旋的尺度也有所減小。這是因為密度和粘度的增大使得流體的慣性和內(nèi)摩擦力增大，抑制了渦旋的發(fā)展。壁面附近的流動更加穩(wěn)定，湍流脈動減弱。這種流動結(jié)構(gòu)的變化對超臨界水的湍流換熱產(chǎn)生了影響，由于渦旋強度和尺度的減小，流體的混合能力減弱，熱量傳遞效率有所降低。當(dāng)壓力進(jìn)一步升高到12MPa時，超臨界水的流動結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變化。流向渦和展向渦的強度繼續(xù)減弱，渦旋的數(shù)量也有所減少。壁面附近的流體層流底層增厚，流動更加趨于層流狀態(tài)。在這種情況下，超臨界水的湍流換熱主要依靠分子擴散進(jìn)行，傳熱效率進(jìn)一步降低。通過對不同超臨界壓力下流動結(jié)構(gòu)的分析，可以深入了解超臨界壓力對超臨界流體湍流換熱的影響機制，為改進(jìn)超臨界流體傳熱設(shè)備的性能提供理論依據(jù)。5.2加熱條件對湍流換熱的影響5.2.1加熱對平均量的影響不同加熱條件會對超臨界流體的平均速度和溫度等平均量產(chǎn)生顯著影響。在恒定熱流密度加熱條件下，以超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的流動為例，隨著熱流密度的作用，超臨界二氧化碳吸收熱量，溫度沿管道軸向逐漸升高。由于溫度升高導(dǎo)致超臨界二氧化碳的物性發(fā)生變化，密度減小，粘度降低。密度的減小使得流體的慣性力相對減小，在相同的壓力驅(qū)動下，平均速度會有所增加。在熱流密度為10^5W/m^2時，超臨界二氧化碳在管道入口處的平均速度為u_0，隨著流體沿管道流動并不斷吸收熱量，在管道出口處，平均速度增大到1.2u_0。在恒定壁面溫度加熱條件下，超臨界二氧化碳與壁面之間存在恒定的溫差，熱量持續(xù)從壁面?zhèn)鬟f到流體中。與恒定熱流密度加熱不同，恒定壁面溫度加熱下，超臨界二氧化碳的溫度分布相對較為均勻，因為壁面溫度保持不變，流體在與壁面接觸的過程中，溫度逐漸接近壁面溫度。由于溫度變化相對較為平穩(wěn)，對超臨界二氧化碳物性的影響也相對較小，平均速度的變化相對恒定熱流密度加熱條件下較為平緩。在壁面溫度為400K的恒定壁面溫度加熱條件下，超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的平均速度在整個流動過程中變化較小，僅從入口處的u_0略微增加到出口處的1.05u_0。5.2.2對湍流統(tǒng)計的影響加熱條件對超臨界流體的湍流統(tǒng)計量如湍流強度、湍動能等有著重要影響。在恒定熱流密度加熱下，隨著熱流密度的增加，超臨界流體的湍流強度會增大。以超臨界水為例，當(dāng)熱流密度從5×10^4W/m^2增加到10^5W/m^2時，超臨界水的湍流強度顯著增強。這是因為熱流密度的增加使得壁面附近的流體溫度升高更快，密度變化更為劇烈，從而導(dǎo)致流體的流動更加不穩(wěn)定，產(chǎn)生更多的湍流脈動。湍動能也會隨著熱流密度的增加而增大。熱流密度的增大使得流體獲得更多的能量，這些能量在流體中轉(zhuǎn)化為湍動能，使得湍動能增加。在高的熱流密度下，超臨界水的湍動能可以達(dá)到低熱流密度下的兩倍以上。在恒定壁面溫度加熱條件下，湍流強度和湍動能的變化相對較為復(fù)雜。當(dāng)壁面溫度與流體初始溫度相差較大時，在靠近壁面的區(qū)域，由于溫度梯度較大，會產(chǎn)生較強的湍流脈動，導(dǎo)致湍流強度和湍動能增大。隨著離壁距離的增加，溫度梯度逐漸減小，湍流強度和湍動能也逐漸減小。在壁面溫度為450K，超臨界水初始溫度為350K的情況下，在壁面附近，湍流強度可以達(dá)到0.2，湍動能也較高；而在管道中心區(qū)域，湍流強度減小到0.1以下，湍動能也明顯降低。與恒定熱流密度加熱相比，恒定壁面溫度加熱下的湍流強度和湍動能在整個流場中的分布更加不均勻。5.2.3對湍流結(jié)構(gòu)的影響加熱條件的改變會使超臨界流體的湍流結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。在恒定熱流密度加熱條件下，隨著熱流密度的增大，超臨界流體在壁面附近會形成更強烈的湍流渦旋結(jié)構(gòu)。以超臨界氮氣為例，在低熱流密度下，壁面附近的渦旋尺度較小，強度較弱；當(dāng)熱流密度增大后，渦旋的尺度和強度都明顯增加。這是因為熱流密度的增大使得壁面附近的溫度梯度增大，流體的不穩(wěn)定性增強，從而促進(jìn)了大尺度渦旋的生成和發(fā)展。這些大尺度渦旋的存在增強了流體在壁面附近的混合和熱量傳遞能力。在恒定壁面溫度加熱條件下，湍流結(jié)構(gòu)也會受到壁面溫度的影響。當(dāng)壁面溫度較高時，壁面附近的流體溫度升高，密度減小，會形成向上的浮力。這種浮力會導(dǎo)致流體在壁面附近產(chǎn)生上升運動，形成類似于熱羽流的結(jié)構(gòu)。在超臨界氦氣的模擬中，當(dāng)壁面溫度為400K時，在壁面附近可以觀察到明顯的熱羽流結(jié)構(gòu)，熱羽流中的流體向上運動，與周圍流體發(fā)生混合和熱量交換。這種熱羽流結(jié)構(gòu)的存在改變了超臨界流體的湍流結(jié)構(gòu)，使得湍流的發(fā)展更加復(fù)雜。與恒定熱