壁面粗糙度对超临界水流动中传热的影响

本文讨论了壁面粗糙度对易发生传热恶化(HTD)的超临界水流动影响的数值研究。模拟在垂直圆管中进行，采用 SST k-omega 湍流模型，针对最大压力 25.3MPa 下不同的热流密度（220kW/m2 与 1810kW/m2）和质量流量（0.0106kg/s 与 0.022kg/s）组合。粗糙度以受热壁面上均匀砂粒粗糙度形式引入。结果表明，随着粗糙度高度(Ks)增大，HTD 逐渐恢复。HTD 的缓解是湍动能(TKE)增大的直接结果。相反，HTD 起始的延迟归因于导致 HTD 发生的主导力（浮力或加速度效应）减弱。为此提出了等效热阻模型加以阐明。此外，在较高粗糙度值下 HTD 已完全恢复时，出口附近的传热系数降低（HTDn）。这归因于拟临界温度附近的高比热值。最后，利用熵产与热性能因子两种方法分析粗糙度的效能。两种技术均表明使用粗糙管是有益的。然而，第一种方法建议使用大于临界粗糙度高度(Ksc)的 Ks 值：因为总熵产在 Ksc 处达到峰值，原因是热导率随温度变化。研究揭示了最高壁温与 HTD 起始对粗糙度存在的高度敏感性。此外，与通常的 HTD 不同，一种新型传热损伤（HTDn）可在无任何 TKE 损失的情况下发生。