国产CFD软件VirtualFlow：超临界流动传热模拟仿真，精准把握热物性变化
引言
在现代工业和科学研究中，超临界流体因其独特的物理性质而备受关注。超临界工况下的流体兼具气体和液体的双重特性，其密度接近液体，而粘度接近气体，热物性受温度和压力的影响极大，尤其在拟临界温度附近，物性变化极为剧烈。这种特性使得超临界流体在能源、化工、航空航天等领域具有广泛的应用前景，例如超临界水、超临界二氧化碳以及各种超临界状态有机工质的研究等。然而，超临界流体的流动传热问题复杂，需要借助先进的模拟仿真工具来实现对其流动传热特性的精准分析。本文将介绍VirtualFlow软件在超临界流动传热模拟中的应用，并通过具体算例展示其强大的功能。
图 1 超临界流体PT图
1.VirtualFlow中的变物性表达方法
在超临界流动传热模拟中，准确处理流体的变物性是关键。VirtualFlow软件提供了多种方法来实现对超临界流体热物性参数的准确表达，以下是几种主要方法：
1.1 直接插值方法
在状态点足够密集的情况下，直接插值方法可以实现高精度的物性参数计算。VirtualFlow支持从美国国家标准与技术研究院（NIST）数据库中直接查找数据，并通过单线性插值或双线性插值方法获取所需的物性参数。此外，用户还可以通过curve_fit方法，采用dat文件读入方式实现单线性插值。
图 2 dat文件格式
1.2 状态方程
对于超临界物性参数，VirtualFlow还内置了多种状态方程。通过对状态方程的求解，可以直接得到该状态下的物性参数，满足对一般超临界物性的设置需求。
图 3 VirtualFlow中设置状态方程
1.3 多项式拟合方法
图 4 VirtualFlow中UDF模版选择
2.VirtualFlow的NIST数据库测试
2.1 测试说明
为了验证VirtualFlow中NIST物性功能模块的准确性和稳定性，我们在ubuntu环境下进行了测试。测试算例如下：
2.2 测试算例
图 5 终端显示收敛残差
图 6 管内压力场
图 7 管内温度场
图 8 管内密度场
图 9 管内粘性系数
图 10 管内导热系数
2.3 测试结论
通过对比VirtualFlow计算结果与NIST物性库在相同P-T下的查询值，验证了NIST物性功能模块的准确性。流场中的物性数据与NIST物性库一致，求解稳定性良好。
3.超临界水计算
3.1几何模型
图 11管束模型
管束尺寸结构外径为8mm，长度为600mm。在数值建模中，不考虑固体导热，只关注超临界水的流动传热特性。
3.2网格划分
图 12横截面网格划分
图 13轴向网格划分
图 14 光管模型商软网格划分结果
3.3物性参数
3.4边界处理
图 15 管束模型边界条件示意图
3.5 结果分析
图 16 横截面（Z截面）温度分布（左：商业软件，右：VirtualFlow）
图 17 纵截面（X截面）温度分布（左：商业软件，右：VirtualFlow）
图 18轴向平均温度变化曲线
3.6 小结
4.总结
综上所述，VirtualFlow软件凭借其强大的物性处理能力和高效的数值计算性能，能够为超临界流动传热模拟提供可靠的解决方案，适用于能源、化工、航空航天等领域的复杂流动传热问题研究。
