Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях

Приводятся результаты CFD-моделирования течения и теплообмена восходящих потоков воды в гладких трубах при сверхкритических давлениях. Представлены данные, касающиеся двумерной картины локальных теплофизических характеристик исследуемых процессов. Рассматриваются особенности движения фронта псевдокр...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Фиалко, Н.М., Пиоро, И.Л., Майсон, Н.В., Меранова, Н.О.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2016
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Тепло- и массообменные процессы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142274
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях / Н.М. Фиалко, И.Л. Пиоро, Н.В. Майсон, Н.О. Меранова // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 3. — С. 10-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142274
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1422742018-10-03T01:23:12Z Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях Фиалко, Н.М. Пиоро, И.Л. Майсон, Н.В. Меранова, Н.О. Тепло- и массообменные процессы Приводятся результаты CFD-моделирования течения и теплообмена восходящих потоков воды в гладких трубах при сверхкритических давлениях. Представлены данные, касающиеся двумерной картины локальных теплофизических характеристик исследуемых процессов. Рассматриваются особенности движения фронта псевдокритического перехода. Приводятся результаты методических исследований по верификации моделей турбулентности. Наводяться результати CFD-моделювання течії та теплообміну висхідних потоків води в гладких трубах при надкритичних тисках. Представлено дані щодо двовимірної картини локальних теплофізичних характеристик досліджуваних процесів. Розглядаються особливості руху фронту псевдокритичного переходу. Наводяться результати методичних досліджень з верифікації моделей турбулентності. CFD-simulation results of flow and heat transfer for upward water flow in bare tubes at supercritical pressure are given. The data relating to the two-dimensional picture of the local thermophysical characteristics of the investigated processes are presented. The features of the pseudocritical transition front movement are considered. The results of methodological studies on verification of turbulence models are discussed. 2016 Article Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях / Н.М. Фиалко, И.Л. Пиоро, Н.В. Майсон, Н.О. Меранова // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 3. — С. 10-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.3.2016.02 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142274 536.242 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Фиалко, Н.М. Пиоро, И.Л. Майсон, Н.В. Меранова, Н.О. Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях Промышленная теплотехника
description	Приводятся результаты CFD-моделирования течения и теплообмена восходящих потоков воды в гладких трубах при сверхкритических давлениях. Представлены данные, касающиеся двумерной картины локальных теплофизических характеристик исследуемых процессов. Рассматриваются особенности движения фронта псевдокритического перехода. Приводятся результаты методических исследований по верификации моделей турбулентности.
format	Article
author	Фиалко, Н.М. Пиоро, И.Л. Майсон, Н.В. Меранова, Н.О.
author_facet	Фиалко, Н.М. Пиоро, И.Л. Майсон, Н.В. Меранова, Н.О.
author_sort	Фиалко, Н.М.
title	Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях
title_short	Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях
title_full	Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях
title_fullStr	Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях
title_full_unstemmed	Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях
title_sort	моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142274
citation_txt	Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях / Н.М. Фиалко, И.Л. Пиоро, Н.В. Майсон, Н.О. Меранова // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 3. — С. 10-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT fialkonm modelirovanietečeniâiteploobmenavgladkihtrubahprisverhkritičeskihdavleniâh AT pioroil modelirovanietečeniâiteploobmenavgladkihtrubahprisverhkritičeskihdavleniâh AT majsonnv modelirovanietečeniâiteploobmenavgladkihtrubahprisverhkritičeskihdavleniâh AT meranovano modelirovanietečeniâiteploobmenavgladkihtrubahprisverhkritičeskihdavleniâh
first_indexed	2025-07-10T14:35:36Z
last_indexed	2025-07-10T14:35:36Z
_version_	1837270977170374656
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №310 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ УДК 536.242 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В ГЛАДКИХ ТРУБАХ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЯХ Фиалко Н.М.1, член-корреспондент НАН Украины, Пиоро И.Л.2, докт. техн. наук, Майсон Н.В.1, Меранова Н.О.1, канд. техн. наук 1Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, Киев, 03680, Украина 2Faculty of Energy Systems and Nuclear Science University of Ontario Institute of Technology 2000 Simcoe Str. N., Oshawa ON L1K 7K4 Canada Наводяться результати CFD- моделювання течії та теплообмі- ну висхідних потоків води в глад- ких трубах при надкритичних тисках. Представлено дані щодо двовимірної картини локальних теплофізичних характеристик досліджуваних процесів. Розгля- даються особливості руху фронту псевдокритичного переходу. На- водяться результати методичних досліджень з верифікації моделей турбулентності. CFD-simulation results of flow and heat transfer for upward water flow in bare tubes at supercritical pressure are given. The data relating to the two-dimensional picture of the local thermophysical characteristics of the investigated processes are presented. The features of the pseudocritical transition front movement are considered. The results of methodological studies on verification of turbulence models are discussed. Приводятся результаты CFD- моделирования течения и тепло- обмена восходящих потоков воды в гладких трубах при сверхкрити- ческих давлениях. Представлены данные, касающиеся двумерной картины локальных теплофизиче- ских характеристик исследуемых процессов. Рассматриваются осо- бенности движения фронта псевдо- критического перехода. Приводятся результаты методических исследо- ваний по верификации моделей тур- булентности. Библ. 18. рис. 7. Ключевые слова: вычислительная гидродинамика, вода сверхкритического давления, псевдокрити- ческий фазовый переход, верификация моделей турбулентности. D – внутренний диаметр трубы, м; G – массовая скорость, кг/м2с; L – обогреваемая длина трубы, м; P – давление, Па; q – плотность теплового потока, Вт/м2; r – радиальная координата, м; T – температура, °C; Tu – интенсивность турбулентности, %; Uz – осевая компонента скорости, м/с; z – осевая координата, м; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2K. Нижние индексы: dht – ухудшенный теплообмен (deteriorated heat Введение Актуальные вопросы развития атомной энер- гетики непосредственно связаны с повышением тепловой эффективности АЭС. Одним из важных направлений такого повышения является приме- transfer); in – входное сечение трубы (inlet); pc – псевдокритический (pseudocritical); Сокращения: AKN – Abe-Kondoh-Nagano k-ε turbulent model; BSL – Baseline k-ω turbulent model; CFD – Computational Fluid Dynamics; LB – Lam-Bremhorst k-ε turbulent model; NIST – National Institute of Standards and Technology; REFPROP – REFerence PROPerties; SST – Shear Stress Transport turbulent model; АЭС – атомная электростанция. нение в качестве теплоносителей ядерных реак- торов жидкостей при сверхкритических давлени- ях. В комплексе научно-технических проблем, касающихся реакторов на сверхкритических ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №3 11 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ давлениях, большое значение имеют задачи ре- акторной теплофизики. Анализ состояния ис- следований в области реакторной теплофизики при сверхкритических давлениях представлен в ряде работ [1-5]. Одна из тенденций данных исследований состоит в повышении роли CFD- моделирования для предсказания закономернос- тей течения и теплообмена сверхкритических жидкостей (например, [6-11]). При этом такие предсказания становятся все более информатив- ными и достоверными. К тому же они позволяют получать многомерные картины локальных теп- лофизических характеристик процесса. Цель данной работы состоит в исследовании на основе CFD-моделирования двумерной кар- тины течения и теплообмена сверхкритической воды при подъемном течении в гладких трубах. Постановка задачи и методика исследований Как объект теплофизических исследований рассматриваемая ситуация отвечает задаче сме- шанной теплоотдачи (при вынужденном и сво- бодном движении) в условиях существенной зависимости свойств жидкости от температуры. В работе данная задача решалась в двумерной осесимметричной постановке. С целью стаби- лизации течения перед входом в трубу расчетная область увеличивалась вверх по потоку за счет начального необогреваемого участка длиной 1,2 м. Во входном сечении трубы массовая ско- рость G и температура Tin принимались посто- янными, а величина интенсивности турбулент- ности Тu – равной 3 %. В выходном сечении трубы ставились «мягкие» граничные условия. На обтекаемых водой поверхностях трубы зада- вались условия прилипания. На необогреваемом участке трубы, в качестве тепловых, принима- лись условия адиабатичности, на обогреваемом участке – условия постоянного по длине трубы теплоподвода к ее стенке. Расчетная область пок- рывалась неравномерной сеткой с существен- ным сгущением к стенкам трубы и содержала 120х520 ячеек. Пристеночный шаг задавался равным 1,5·10-6 м, что обеспечивало значение y+ < 0,7 (y+ = uτy1/ν, где uτ – динамическая скорость, y1 – радиальное расстояние от стенки до первого пристеночного узла сетки, ν – локальная кинема- тическая вязкость). Для определения физических свойств сверхкритической воды использовалась программа NIST REFPROP, интегрированная в FLUENT код. Решение поставленной задачи осу- ществлялось с double precision. В работе выполнена верификация моделей турбулентности путем сопоставления известных экспериментальных данных и численных реше- ний, полученных с использованием различных моделей турбулентности, которые фигурируют в современном каталоге замыкающих моделей. Рассматривались модели, относящиеся к трем следующим группам: высокорейнольдсовые k-ε модели с пристеночными функциями, низко- рейнольдсовые k-ε модели и k-ω модели. Из мо- делей первой группы тестировались Realizable [12] и Standard k-ε модели [13], из моделей вто- рой группы k-ε AKN [14] и k-ε LB [15], из моде- лей третьей группы – k-ω SST и k-ω BSL [16]. На рис. 1 в качестве примера представлены результаты соответствующих сопоставлений с экспериментальными данными, отвечающи- ми следующим параметрам: массовая скорость G = 1002 кг/м2с, плотность подводимого к стенке теплового потока q = 681 кВт/м2, давление на вхо- де в трубу Рin = 23,9 МПа, температура во вход- ном сечении трубы Tin = 350 oC [5]. Из анализа данных, приведенных на рис. 1, следует, что рассмотренные модели турбулент- ности по убыванию адекватности описания ими экспериментальных данных ранжируются сле- дующим образом: k-ω SST, k-ε Standard, k-ω BSL, k-ε Realizable, k-ε AKN и k-ε LB. При этом для трех последних моделей турбулентности из этого списка расхождения экспериментальных и расчетных данных являются недопустимо боль- шими. То есть рассмотренные низкорейнольдсо- вые модели и высокорейнольдсовая модель k-ε Realizable не в полной мере отвечают анализи- руемой физической ситуации. Что же касается первых трех моделей, то здесь отклонения экс- периментальных и расчетных данных в целом сравнительно невелики. Эти отклонения явля- ются наибольшими на начальном обогреваемом участке трубы и наименьшими – вблизи выхода из нее. Первые две модели из приведенного спи- ска соотносятся между собой следующим обра- зом. Модель k-ε Standard существенно уступает по адекватности модели k-ω на значительном по протяженности центральном участке трубы. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №312 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Данные, полученные на основе этих моделей, практически совпадают вблизи выхода из трубы. Модель k-ε имеет некоторые преимущества лишь на начальном обогреваемом участке. Таким об- разом, рассматриваемой физической ситуации в наибольшей мере отвечает k-ω SST модель тур- булентности. Характеризуя в целом полученные данные по тестированию моделей турбулентности, следу- ет отметить, что для всех исследуемых моделей имеет место тенденция к определенному завы- шению данных по температуре стенки и соответ- ственно к занижению значений коэффициентов теплоотдачи. Рис. 1. Сопоставление экспериментальных (1) и расчетных (2-7) данных для распределения коэффициента теплоотдачи (а) и температуры внутренней поверхности стенки и среднемассовой температуры (8) воды (б) вдоль обогреваемого участка трубы при использовании различных моделей турбулентности: 2 – k-ε Standard; 3 – k-ε Realizable; 4 – k-ε AKN; 5 – k-ε LB; 6 – k-ω SST; 7 – k-ω BSL. Результаты исследований и их анализ Ниже приводятся результаты CFD- моделирования, полученные с использованием k-ω SST модели турбулентности. Основные ис- ходные данные для анализируемой ситуации от- вечают следующим значениям: G = 1002 кг/м2с; q = 581 кВт/м2; Рin = 23,9 МПа; Tin = 350oC; D = 10 мм; L = 4 м. Расcчитанная по зависимости [17] величина минимального теплового потока qdht, при превышении которого возникает режим ухудшенного теплообмена, в рассматриваемых условиях составляет 687кВт/м2, что больше за- данного значения подводимого теплового потока. То есть в исследуемой ситуации режим ухудшен- ного теплообмена отсутствует. Рассмотрим основные закономерности про- текания исследуемого процесса. Эти законо- мерности связаны со следующими известны- ми особенностями течения и теплообмена при сверхкритических давлениях [18]. Во-первых, в данных условиях имеет место резкое изменение теплофизических свойств теплоносителя с тем- пературой. Во-вторых, наблюдается ускорение потока в результате уменьшения плотности жид- кости по длине обогреваемого канала. И нако- нец, в ряде ситуаций развивается естественная конвекция за счет архимедовых сил, обуслов- ленных разницей плотностей жидкости в различ- ных точках сечения потока. Ниже полученные данные анализируются в аспекте указанных основных особенностей тече- ния и теплообмена при сверхкритических давле- ниях. Остановимся вначале на рассмотрении осо- бенностей течения сверхкритической воды. На рис. 2 представлены профили скорости в ради- а) б) ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №3 13 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ альном направлении на различном расстоянии от входа. Как видно, имеет место существенное ускорение потока по длине трубы. Что же каса- ется формы профилей скорости, то они представ- ляют собой усеченные параболы и не содержат участков с повышенными значениями скорости вблизи стенки трубы. Это свидетельствует о том, что в рассматриваемых условиях влияние подъ- емных сил пренебрежимо мало. Рис. 2. Профили осевой компоненты скорости в поперечном сечении трубы на различном удалении z от входа в ее обогреваемый участок: 1 – z = 0,0 м; 2 – z = 0,5 м; 3 – z = 1,0 м; 4 – z = 1,5 м; 5 – z = 2,0 м; 6 – z = 3,0 м; 7 – z = 4,0 м. Согласно полученным данным форма про- филей скорости несколько трансформируется по длине трубы. А именно, меняется степень запол- ненности данных профилей. По мере удаления от входа в обогреваемый участок трубы указанная степень заполненности возрастает. И далее, на- чиная с расстояния от входа равного примерно 2 метрам, она заметно снижается. Рисунок 3 иллюстрирует изменение по длине трубы осевой компоненты скорости Uz при раз- личных значениях r. Как следует из приведенных данных, наибольшее повышение скорости имеет место на оси трубы (r = 0) и уменьшается по мере приближения к ее стенке. Так, скорость Uz на оси увеличивается от входа к выходу трубы примерно на 5 м/с, а на расстоянии одной сотой миллиме- тра от стенки трубы – лишь на 2 м/с. Важно также отметить, что поток ускоряется по длине трубы весьма неравномерно. Данное ускорение заметно повышается вниз по потоку, начиная примерно с середины длины трубы. При этом указанная тен- денция проявляется более существенно при при- ближении к оси трубы. Рассмотрим далее закономерности тепло- обмена. На рис. 4 представлено сопоставление экспериментальных и расчетных данных об из- менении по длине обогреваемого участка трубы коэффициента теплоотдачи и температуры стен- ки трубы. Приведенные данные иллюстрируют вполне удовлетворительное согласование резуль- татов экспериментов и расчетов. Как видно из рис. 4, поведение коэффициента теплоотдачи характеризуется тем, что его изме- нение в центральной по длине части трубы ока- зывается в целом относительно незначительным. То есть наблюдается картина, подобная стабили- зации теплообмена в трубах при докритических параметрах жидкости. На удалении примерно 2,5 м от входа в обогреваемый участок трубы на- чинается падение коэффициента теплоотдачи, обусловленное в большой мере образованием вблизи стенки трубы слоя, препятствующего пе- реносу тепла, в котором турбулентная теплопро- водность весьма мала. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №314 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Характер изменения температуры стенки кор- релируется определенным образом с поведением коэффициента теплоотдачи. Здесь также на цен- тральном по длине участке трубы температура Twall остается практически постоянной. При этом осевая координата, отвечающая началу заметно- го повышения температуры Twall, совпадает с ко- ординатой, соответствующей началу снижения α. Что касается среднемассовой температу- ры жидкости Tbulk, то характер ее изменения ка- чественно аналогичен поведению температуры стенки. Однако для Tbulk осевая координата начала и конца участка, на котором она остается практи- чески постоянной, несколько смещается вниз по потоку. Рис. 3. Распределение осевой компоненты скорости в продольном направлении трубы на различном удалении r от ее оси: 1 – r = 0,0 м; 2 – r = 4,50·10-3 м; 3 – r = 4,90·10-3 м; 4 – r = 4,99·10-3 м. а) б) Рис. 4. Сопоставление экспериментальных (1) и расчетных (2) данных для распределения коэффициента теплоотдачи (а) и температуры внутренней поверхности стенки и среднемассовой температуры (3) воды (б) вдоль обогреваемого участка трубы. Рис. 5 иллюстрирует радиальные профили температуры на различном расстоянии от входа в обогреваемую часть трубы. Согласно приведен- ным данным конфигурация этих профилей изме- няется по длине трубы таким же образом, как и профилей скорости. То есть с удалением от входа в трубу заполненность профилей увеличивается и затем примерно от середины трубы уменьшается. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №3 15 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 5. Профили температуры в поперечном сечении трубы на различном удалении z от входа в ее обогреваемый участок: 1 – z = 0,0 м; 2 – z = 0,5 м; 3 – z = 1,0 м; 4 – z = 1,5 м; 5 – z = 2,0 м; 6 – z = 3,0 м; 7 – z = 3,5 м; 8 – z = 4,0 м. Изменение температуры жидкости по длине трубы в фиксированных точках r = const показано на рис. 6. Как видно из рис. 6 и рис. 4, темпера- тура жидкости вблизи стенки (r = 4,95·10-3 м) следует за температурой стенки. Ее измене- ние характеризуется наличием достаточно про- тяженного по потоку участка, на котором она остается практически постоянной. В точках бо- лее удаленных от стенки трубы данный участок сокращается. Причем его протяженность тем меньше, чем ближе к оси трубы расположена рассматриваемая точка. Рис. 6. Распределение температуры в продольном направлении трубы при различном удалении r от ее оси: 1 – r = 0,0 м; 2 – r = 4,50·10-3 м; 3 – r = 4,90·10-3 м; 4 – r = 4,99·10-3 м. На рис. 7 приведены данные о положении фронта псевдокритического перехода. (Здесь положение фронта фиксируется по псевдокри- тической температуре Tpc = 381оС, которая опре- деляется как температура, отвечающая максиму- му теплоемкости). Как следует из приведенных данных, примерно до середины обогреваемого участка трубы фронт движется от ее стенки дос- таточно медленно. Далее вниз по потоку движе- ние фронта ускоряется, так что на расстоянии 2,46 м от входа в обогреваемый участок трубы он достигает ее оси. Очевидно, среднемассовая тем- пература жидкости Tbulk должна достигать значе- ния, равного Tpc, несколько выше по потоку. Как видно из рис. 4, температура Tbulk становится рав- ной Tpc на расстоянии 2,25 м от входа в трубу. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №316 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 7. Конфигурация фронта псевдокритического фазового перехода воды в трубе. Выводы 1. Выполнены численные исследования ха- рактеристик течения и теплообмена сверхкри- тической воды в вертикальных гладких трубах с нагреваемой длиной 4 м и внутренним диа- метром 10 мм при массовой скорости жидкости G = 1002 кг/м2с. Проведено тестирование моделей турбулентности из трех следующих групп: высо- корейнольдсовые k-ε модели с пристеночными функциями, k-ω модели и низкорейнольдсовые k-ε модели. На основе сопоставления результатов экспериментальных и расчетных исследований показано, что наименьшие отклонения сравнива- емых данных имеют место для k-ω SST модели турбулентности. 2. Установлены основные особенности дву- мерной картины течения и теплообмена для ис- следуемых условий. Особое внимание уделено рассмотрению закономерностей изменения ха- рактеристик потока сверхкритической воды по радиусу трубы. Представлены данные о конфи- гурации фронта псевдокритического перехода. ЛИТЕРАТУРА 1. Bazargan M. Forced convection heat transfer to turbulent flow of SCW in a round horizontal tube // PhD Thesis, University of British Columbia, Canada. – 2001. – 340 p. 2. Pioro I.L., Khartabil H.F., Duffey, R.B. Literature survey devoted to the heat transfer and hydraulic resistance of fluids at supercritical pressures and near critical pressures // AECL Report. – 2002. – 190 p. 3. Pioro I., Duffey R. Heat Transfer and Hydraulic Resistance at Supercritical Pressures in Power Engineering Applications // ASME Press, New York, NY, USA. – 2007. – 334 p. 4. Hussam A. M. Zahlan, Derivation of a look- up table for Transcritical heat transfer in water-cooled tubes // PhD Thesis, Ottawa-Carleton Institute for Mechanical and Aerospace Engineering Faculty of Engineering University of Ottawa, Canada. – 2015. – 252 p. 5. Kirillov P., Pometko R., Smirnov A., Grabezhnaia V. Experimental Study on Heat Transfer to Supercritical Water Flowing in 1- and 4-m-Long Vertical Tubes // Proc. GLOBAL’05, Tsukuba, Japan. – 2005.– p. 518. 6. Agranat V., Malin M., Pioro I., Abdullah R., Perminov V.A. CFD Modelling of Supercritical Water Heat Transfer in a Vertical Bare Tube Upward Flow // Proceedings of ICONE-23, May 17-21, ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №3 17 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Chiba, Japan. – 2015. – Paper 1163. – 11 p. 7. Cheng X., Kuang B., Yang Y.H. Numerical analysis of heat transfer in supercritical water cooled flow channels // Nuclear Engineering and Design. – 2007. – Vol. 237. – pp.240-252. 8. Farah A., Harvel G., Pioro I. Assessment of Fluent CFD Code as an Analysis Tool for Super- critical-Water Heat-Transfer Applications // Proceedings of the 15th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermalhydraulics (NURETH-15), Pisa, Italy, May 12-15, 2013. – Paper 118. – 13 p. 9. Koshizuka S., Takano N., Oka Y. Numerical Analysis of Deterioration Phenomena in Heat Transfer to Supercritical Water // Int. J. Heat Mass Transfer. – 1995. – Vol. 38. – pp.3077-3084. 10. Yang J., Oka Y., Ishiwatari Y, Liu J., Yoo J. Numerical investigation of heat transfer in upward flows of supercritical water in circular tubes and tight fuel rod bundles // Nuclear Engineering and Design. – 2007. – Vol. 237. – pp.420-430. 11. Shang Z. CFD investigations of vertical rod bundles of supercritical water-cooled nuclear reactor // Nuclear Engi-neering and Design. – 2009, Vol. 239. – pp. 2562 – 2572. 12. Shih T.H., Liou W.W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A new k-epsilon eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows: Model development and validation // Computers and Fluids. – 1994. – Vol. 24(3). – рр. 227-238. 13. Launder B.E., Spalding, D.B. The numerical computation of turbulent Flows // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 1974. – Vol. 3(2). – рр.269-289. 14. Abe K., Kondoh T., Nagano Y. A new turbulence model for predicting fluid flow and heat transfer in separating and reattaching flows – I. flow field calculations // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1994. – Vol. 37(1). – рр.139-151. 15. Lam C.K.G., Bremhorst K. A modified form of the k-epsilon model for predicting wall turbulence // ASME Journal of Fluids Engineering. – 1981. – Vol. 103. – рр.456-460 16. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. – 1994. – Vol. 32(8). – рр.1598-1605. 17. Mokry S., Pioro I.L., Farah A., King K., Gupta S., Peiman W., Kirillov P. Development of Supercritical Water Heat-Transfer Correlation for Vertical Bare Tubes // Nuclear Engineering and Design. – 2011. – Vol. 241. – pp. 1126−1136. 18. Грабежная В.А., Кириллов П.Л. О рас- четах теплообмена в трубах и пучках стержней при течении воды сверхкритического давления // Обзор ФЭИ-0297. Цнииатоминформ, 2003. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №318 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ SIMULATION OF FLOW AND HEAT TRANSFER IN BARE TUBES AT SUPERCRITICAL PRESSURE Fialko N.M.1, Pioro I.L.2, Maison N.V.1, Meranova N.O.1 1Institute of Engineering Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Zhelyabova 2а, Kyiv, 03057, Ukraine 2Faculty of Energy Systems and Nuclear Science University of Ontario Institute of Technology 2000 Simcoe Str. N., Oshawa ON L1K 7K4 Canada The paper is devoted to the numerical simulation of water flow and heat transfer in bare tubes at supercritical pressures. The studies were carried out using Fluent software for upward flow in a circular tube with a heated length of 4 m and an inner diameter of 10 mm at water mass flux G = 1002 kg/m2s. The data are presented with respect to verification turbulence models for the considered physical situation. This testing includes different turbulence models appearing in modern catalog of these models. Namely, the models related to the following three groups were considered: high-Re k-ε model with wall functions, low-Re k-ω models and k-ε models. It is shown that the best agreement for known experimental data with the results of computer simulation answers k-ω SST turbulence model. The analysis of the main features of the two-dimensional flow patterns and heat transfer for the considered conditions is performed. Particular attention is paid to the discussion of the research results concerning the features of the thermal-hydraulic parameters in the cross sections of the tube. The data on the nature of the pseudocritical transition front motion in the tube are given. References 18, figures 7. 1. Bazargan M. Forced convection heat transfer to turbulent flow of SCW in a round horizontal tube // PhD Thesis, University of British Columbia, Canada. – 2001. – 340 p. (Eng.) 2. Pioro I.L., Khartabil H.F., Duffey, R.B. Literature survey devoted to the heat transfer and hydraulic resistance of fluids at supercritical pressures and near critical pressures // AECL Report. – 2002. – 190 p. (Eng.) 3. Pioro I., Duffey R. Heat Transfer and Hydraulic Resistance at Supercritical Pressures in Power Engineering Applications // ASME Press, New York, NY, USA. – 2007. – 334 p. (Eng.) 4. Hussam A. M. Zahlan. Derivation of a look-up table for Trans-critical heat transfer in water-cooled tubes // PhD Thesis, Ottawa-Carleton Institute for Mechanical and Aerospace Engineering Faculty of Engineering University of Ottawa, Canada. – 2015. – 252 p. (Eng.) 5. Kirillov P., Pometko R., Smirnov A., Grabezhnaia V. Experimental Study on Heat Tran- sfer to Supercritical Water Flowing in 1- and 4-m-Long Vertical Tubes // Proc. GLOBAL’05, Tsukuba, Japan. – 2005.– p. 518. (Eng.) 6. Agranat V., Malin M., Pioro I., Abdullah R., Perminov V.A. CFD Modelling of Supercritical Water Heat Transfer in a Vertical Bare Tube Upward Flow // Proceedings of ICONE-23, May 17-21, Chiba, Japan. – 2015. – Paper 1163. – 11 p. (Eng.) 7. Cheng X., Kuang B., Yang Y.H. Numerical analysis of heat transfer in supercritical water cooled flow channels // Nuclear Engineering and Design. – 2007. – Vol. 237. – pp.240-252. (Eng.) 8. Farah A., Harvel G., Pioro I. Assessment of Fluent CFD Code as an Analysis Tool for Super- critical-Water Heat-Transfer Applications // Proceedings of the 15th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermalhydraulics (NURETH-15), Pisa, Italy, May 12-15, 2013. – Paper 118. – 13 p. (Eng.) 9. Koshizuka S., Takano N., Oka Y. Numerical Analysis of Deterioration Phenomena in Heat Transfer to Supercritical Water // Int. J. Heat Mass Transfer. – 1995. – Vol. 38. – pp.3077-3084. (Eng.) 10. Yang J., Oka Y., Ishiwatari Y, Liu J., Yoo J. Numerical investigation of heat transfer in upward flows of supercritical water in circular tubes and tight fuel rod bundles // Nuclear Engineering and Design. – 2007. – Vol. 237. – pp.420-430. (Eng.) 11. Shang Z. CFD investigations of vertical rod bundles of supercritical water-cooled nuclear reactor // Nuclear Engi-neering and Design. – 2009, Vol. 239. – pp. 2562 – 2572. (Eng.) 12. Shih T.H., Liou W.W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A new k-epsilon eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows: Model ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №3 19 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ development and validation // Computers and Fluids. – 1994. – Vol. 24(3). – рр. 227-238. (Eng.) 13. Launder B.E., Spalding, D.B. The numerical computation of turbulent Flows // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 1974. – Vol. 3(2). – рр.269-289. (Eng.) 14. Abe K., Kondoh T., Nagano Y. A new turbulence model for predicting fluid flow and heat transfer in separating and reattaching flows - I. flow field calculations // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1994. – Vol. 37(1). – рр.139-151. (Eng.) 15. Lam C.K.G., Bremhorst K. A modified form of the k-epsilon model for predicting wall turbu- lence // ASME Journal of Fluids Engineering. – 1981. – Vol. 103. – рр.456-460. (Eng.) 16. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. – 1994. – Vol. 32(8). – рр.1598-1605. (Eng.) 17. Mokry S., Pioro I.L., Farah A., King K., Gupta S., Peiman W., Kirillov P. Development of Supercritical Water Heat-Transfer Correlation for Vertical Bare Tubes // Nuclear Engineering and Design. – 2011. – Vol. 241. – pp. 1126−1136. (Eng.) 18. Grabehznaia, V.A., Kirillov, P.L About Calculation of Heat Transfer in the Tubes and Bundles of Rods at Flow of Supercritical Pressure Water // Obzor FEI-0297. Tsniiatominform. 2003. (Rus.) Получено 13.04.2016 Received 13.04.2016

Моделирование течения и теплообмена в гладких трубах при сверхкритических давлениях

Репозитарії

Схожі ресурси