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【研究前沿】跨临界二氧化碳Ranque-Hilsch涡旋管的数值模拟与局部熵产生研究

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这篇文章是2024年发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》。     
 
文章深入探讨了在两相跨临界二氧化碳(CO2)系统中,Ranque-Hilsch涡旋管(RHVT)的数值模拟和局部熵产生问题。涡旋管作为一种能够实现热能分离的装置,在可再生能源利用和传统制冷系统中具有重要应用前景。然而,其在跨临界CO2操作下的机理尚不明确。本文通过三维计算流体动力学(CFD)模拟,结合开源SU2求解器和Span-Wagner状态方程,对RHVT在跨临界CO2条件下的温度、能量和相分离现象进行了全面研究,并分析了由于粘性和热耗散引起的整体和局部熵产生。    

   

1. 研究背景


     

   

随着化石燃料逐步被淘汰,利用可再生能源成为能源转型的关键。在这一背景下,跨临界CO2热泵循环作为一种可持续的供暖和制冷替代方案,因其使用天然物质CO2,具有成本竞争力、非易燃性、无毒性、零臭氧消耗潜能和可忽略的全球变暖潜能等优点而备受关注。然而,由于CO2的临界温度较低,常规制冷系统中的循环效率受到限制。为了提高系统效率,需要对循环中的关键组件进行设计和优化,其中涡旋管因其独特的能量分离特性而成为研究的焦点。


2. 研究方法


     

   

本研究采用了三维计算流体动力学(CFD)模拟方法,利用开源SU2求解器进行模拟。SU2求解器具备隐式时间积分和基于真实气体密度的公式化特点,适合模拟高速可压缩流动。研究中使用了均相平衡两相模型,并结合了k-ω SST和标准k-ε湍流闭合模型。此外,通过快速查表的方式应用Span和Wagner状态方程来计算CO2的性质,确保了模拟的准确性和效率。


3. 研究内容


     

   

研究首先在文献中已有的跨临界CO2喷嘴的压力测量、冷凝起始位置和可视化结果上进行了验证。随后,对涡旋管中CO2的温度、能量和相分离现象进行了深入研究,并探讨了由于粘性和热耗散引起的整体和局部熵产生。研究揭示了在实际气体效应下,温度分离在两个出口处均低于入口温度的现象,并展示了能量分离的逆转以及涡旋管出口用于加热和冷却目的的可用功率。



4. 研究结果


     

   

研究结果显示,在跨临界CO2条件下,涡旋管的温度分离在入口温度以下产生,这与理想气体情况下的亚临界CO2蒸汽的常规热分离相反。此外,研究还发现,能量分离在冷质量分数较高和入口操作压力较高时会发生逆转。熵产生分析揭示了在涡旋管锐角处由于波动分量导致的更高的不可逆性,尤其是在冷质量分数高和入口操作压力高的条件下。研究结果不仅为涡旋管在跨临界CO2热泵循环中的操作提供了有用的指导,还为理解涡旋管内部复杂的物理现象提供了新的见解。



来源:CFD饭圈
FluentCFX燃烧湍流PolyflowParaViewParticleWorks
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-08
最近编辑:1月前
CFD饭圈
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一个简单的例子解释流体力学中为什么会有无量纲数

1.无量纲数的作用 实验是流体力学发现的重要工具。在设计和测试飞机、船只、汽车、泵、涡轮机、风扇等设备时需要进行实验。这些实验的目的是理解诸如湍流等基本流动现象。为了获得准确的结果,实验必须有计划地执行。确定哪些参数重要是规划正确实验的基础。各种缩放因子在决定流动行为中起着重要作用。这些因子通常表示为无量纲数。例如,实验的马赫数可以决定流动是否具有亚音速或超音速特性。雷诺数可以用来预测流动是否平滑或湍流。在这里,无量纲分析将被用来提取流体流动的重要缩放因子。2.不用无量纲数会怎样 图 :绕圆柱体的流动考虑例如圆柱体周围的阻力研究。控制这一过程的参数是什么?根据以前的实验,发现主要参数是:来流速度 V,圆柱体直径 D,流体密度 ρ 和流体粘度 μ。可以进行一个盲目的实验,简单地测量每个参数的影响。可以执行一系列测试,改变自由流速度,同时保持其他参数不变。可以制作一个阻力与速度 V 的曲线,同时保持 μ,ρ 和 D 恒定。但请注意,为了获得一整套结果,还需要对其他参数的不同值重复相同的实验。(见下图)。图 :阻力依赖于各种参数然后可以重新进行实验,考虑阻力与 ρ 的关系,同时保持其他参数不变。最终需要进行大量的测试。如果每条曲线需要大约十个点来获得良好的定义,那么很容易看出需要进行多达 10,000 次实验来完全覆盖所有可能性。3. 用了无量纲数会怎样 相反,可以事先尝试进行尺寸分析,以确定这些参数之间的关系,从而最小化实验数量。这种分析技术将帮助确定流动的无量纲数。无量纲数将涉及一些占主导地位的参数组合。在圆柱体阻力的情况下,这些是阻力 F、密度 ρ、粘度 μ、直径 D 和速度 V。在实验中,只需要改变这些无量纲数。例如,对于阻力问题,无量纲数是阻力系数 Cd 和雷诺数 Re(见下图),分别由下式给出:图 :Cd 随 Re 的变化。通过测量阻力系数,同时只改变雷诺数,可以完成描述圆柱体在所有条件下行为的全部结果集。虽然改变流动的 ρ 或 μ 可能很困难,但可以通过改变速度和/或直径来获得不同的雷诺数。最终结果可以用来预测在任何特定条件下圆柱体的阻力,方法是从特定雷诺数的图表中找到阻力系数,然后将其扩展到阻力。4.用了无量纲数的优点 无量纲数的另一个优点是,结果是独立于测量单位的。因此,习惯于完全不同的单位系统的人仍然可以解释结果。这些数字的另一个应用是在相似性上。每当设计一种新的交通工具时,通常在建造全尺寸原型之前进行初始缩放模型测试。模型结果如何与全尺寸车辆的结果比较?两者之间是否只需要几何相似性?实际上,这要求模型和全尺寸之间的大多数适用无量纲数需要相同,以确保结果的准确性。来源:CFD饭圈

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