在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究中，超臨界流體因其獨(dú)特的物理性質(zhì)而備受關(guān)注。超臨界工況下的流體兼具氣體和液體的雙重特性，其密度接近液體，而粘度接近氣體，熱物性受溫度和壓力的影響極大，尤其在擬臨界溫度附近，物性變化極為劇烈。這種特性使得超臨界流體在能源、化工、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，例如超臨界水、超臨界二氧化碳以及各種超臨界狀態(tài)有機(jī)工質(zhì)的研究等。然而，超臨界流體的流動(dòng)傳熱問(wèn)題復(fù)雜，需要借助先進(jìn)的模擬仿真工具來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其流動(dòng)傳熱特性的精準(zhǔn)分析。本文將介紹VirtualFlow軟件在超臨界流動(dòng)傳熱模擬中的應(yīng)用，并通過(guò)具體算例展示其強(qiáng)大的功能。
圖 1 超臨界流體PT圖
在超臨界流動(dòng)傳熱模擬中，準(zhǔn)確處理流體的變物性是關(guān)鍵。VirtualFlow軟件提供了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超臨界流體熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確表達(dá)，以下是幾種主要方法：
在狀態(tài)點(diǎn)足夠密集的情況下，直接插值方法可以實(shí)現(xiàn)高精度的物性參數(shù)計(jì)算。VirtualFlow支持從美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）數(shù)據(jù)庫(kù)中直接查找數(shù)據(jù)，并通過(guò)單線性插值或雙線性插值方法獲取所需的物性參數(shù)。此外，用戶還可以通過(guò)curve_fit方法，采用dat文件讀入方式實(shí)現(xiàn)單線性插值。
圖 2 dat文件格式
對(duì)于超臨界物性參數(shù)，VirtualFlow還內(nèi)置了多種狀態(tài)方程。通過(guò)對(duì)狀態(tài)方程的求解，可以直接得到該狀態(tài)下的物性參數(shù)，滿足對(duì)一般超臨界物性的設(shè)置需求。
圖 3 VirtualFlow中設(shè)置狀態(tài)方程
圖 4 VirtualFlow中UDF模版選擇
為了驗(yàn)證VirtualFlow中NIST物性功能模塊的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，我們?cè)趗buntu環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試算例如下：
圖 5 終端顯示收斂殘差
圖 6 管內(nèi)壓力場(chǎng)
圖 7 管內(nèi)溫度場(chǎng)
圖 8 管內(nèi)密度場(chǎng)
圖 9 管內(nèi)粘性系數(shù)
圖 10 管內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)
通過(guò)對(duì)比VirtualFlow計(jì)算結(jié)果與NIST物性庫(kù)在相同P-T下的查詢值，驗(yàn)證了NIST物性功能模塊的準(zhǔn)確性。流場(chǎng)中的物性數(shù)據(jù)與NIST物性庫(kù)一致，求解穩(wěn)定性良好。
圖 11管束模型
管束尺寸結(jié)構(gòu)外徑為8mm，長(zhǎng)度為600mm。在數(shù)值建模中，不考慮固體導(dǎo)熱，只關(guān)注超臨界水的流動(dòng)傳熱特性。
圖 12橫截面網(wǎng)格劃分
圖 13軸向網(wǎng)格劃分
圖 14 光管模型商軟網(wǎng)格劃分結(jié)果
圖 15 管束模型邊界條件示意圖
3.5 結(jié)果分析
圖 16 橫截面（Z截面）溫度分布（左：商軟，右：VirtualFlow）
圖 17 縱截面（X截面）溫度分布（左：商軟，右：VirtualFlow）
圖 18軸向平均溫度變化曲線
綜上所述，VirtualFlow軟件憑借其強(qiáng)大的物性處理能力和高效的數(shù)值計(jì)算性能，能夠?yàn)槌R界流動(dòng)傳熱模擬提供可靠的解決方案，適用于能源、化工、航空航天等領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)傳熱問(wèn)題研究。
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