周向非均勻加熱水平圓管內(nèi)超臨界正癸烷換熱特性

王彥紅，陸英楠，李素芬，東明

（1 東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省吉林市132012； 2 大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧大連116024）

引 言

高效熱防護(hù)是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行的核心問題。碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s劑的再生冷卻可以吸收機(jī)體釋放的熱量，從而有效地解決該問題[1-3]。再生冷卻通道中，碳?xì)淙剂咸幱诔R界條件下，其熱物性隨著壓力和溫度變化劇烈改變，通道內(nèi)熱物性高度不均勻[4-6]。熱物性決定換熱機(jī)制，引起復(fù)雜的換熱問題[7-9]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對超臨界壓力下碳?xì)淙剂系膿Q熱問題已有一定的報(bào)道。Dang 等[10]對RP-3 航空煤油換熱研究發(fā)現(xiàn)，邊界層流體湍動(dòng)能異常下降是傳熱惡化的原因。Hua 等[11]認(rèn)為正庚烷的傳熱惡化與流速的“M”型異常分布密切相關(guān)。Huang 等[12-13]觀察到豎直圓管RP-3 航空煤油兩種類型的傳熱惡化現(xiàn)象，闡述了兩種傳熱惡化的機(jī)理，即熱加速作用和類膜態(tài)沸騰換熱機(jī)制。李良偉等[14]探究了碳?xì)淙剂系目缗R界換熱惡化過程，熱物性劇變是傳熱惡化的原因，降低邊界層熱物性梯度是避免換熱惡化的有效措施。Pu 等[15]分析了RP-3 航空煤油起始加熱段的傳熱惡化機(jī)制，該傳熱惡化源于密度變化和強(qiáng)浮升力的綜合作用。Zhu 等[16]闡述了RP-3 航空煤油流阻和換熱的耦合關(guān)系。Chen 等[17]提出浮升力引起正癸烷的傳熱惡化現(xiàn)象，高流速下薄的邊界層有利于抑制該問題。Cheng 等[18]闡述了湍流條件下水平圓管RP-3 航空煤油換熱的直徑效應(yīng)，結(jié)果表明，浮升力和熱加速是傳熱惡化的原因，隨著直徑增大，高熱通量下管頂部傳熱惡化加劇，而管底部換熱基本不受影響。Xu等[19]和黃世璋等[20]分別考察了內(nèi)螺紋管和波紋管內(nèi)碳?xì)淙剂系膹?qiáng)化換熱機(jī)制。Sun等[21]研究了浮升力對RP-3航空煤油水平流動(dòng)換熱的影響，浮升力在高熱質(zhì)比且大管徑時(shí)發(fā)揮作用，引起通道內(nèi)表面?zhèn)鳠釔夯蜔崃髦匦路峙?。Hu 等[22]考察了浮升力對水平方通道內(nèi)RP-3 航空煤油換熱的影響，討論了浮升力誘發(fā)的二次流問題，獲得了浮升力影響判別準(zhǔn)則。Sun 等[23]探究了不同加熱模式下方通道內(nèi)RP-3 航空煤油的換熱機(jī)制，觀察到不同型式的二次流現(xiàn)象，隨著通道熱導(dǎo)率提高，壁面熱傳導(dǎo)的影響致使內(nèi)壁面熱流重新分布，浮升力顯著減弱。這些研究雖獲得了超臨界壓力碳?xì)淙剂蠐Q熱的基礎(chǔ)認(rèn)知，而周向非均勻加熱條件下水平圓管內(nèi)碳?xì)淙剂系膿Q熱機(jī)制，如浮升力的作用機(jī)制，熱通量的分配機(jī)制，二次流的特征、換熱預(yù)測等問題，還鮮見報(bào)道。

本文對周向非均勻加熱水平圓管內(nèi)超臨界正癸烷的換熱開展了模擬研究，探究了換熱特征和換熱機(jī)制，分析了運(yùn)行參數(shù)和通道材料的影響，實(shí)現(xiàn)了換熱關(guān)聯(lián)式預(yù)測，研究成果可為再生冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型與數(shù)值方法

1.1 物理模型

圖1給出了水平圓管物理模型。圖中，g為重力加速度。圓管外徑3 mm，內(nèi)徑2 mm，總長度800 mm。進(jìn)口絕熱段為150 mm，保證進(jìn)口流動(dòng)的充分發(fā)展；出口絕熱段為150 mm，避免出口效應(yīng)的影響。中間加熱段為500 mm，采用管頂部加熱（top heated，TH）和管底部加熱（bottom heated，BH）兩種加熱模式。進(jìn)口為質(zhì)量流速邊界，給定質(zhì)量流速和進(jìn)口溫度。出口為靜壓邊界。進(jìn)口和出口的圓環(huán)壁面設(shè)定為絕熱邊界。固壁和流體的界面通過溫度和熱通量相等來耦合實(shí)現(xiàn)。周向角的研究范圍為0°～180°，不同加熱模式周向角的具體位置見圖1。

圖1 水平管示意圖Fig.1 Schematic diagram of the horizontal tube

設(shè)定如下模擬參數(shù)范圍：

cp——比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1

（2）質(zhì)量流速(G)為1200～1800 kg·m-2·s-1；

（3）進(jìn)口溫度(Tin)為600 K；

（4）熱通量(q)為800～1200 kW·m-2。

如果我完成注冊，我的個(gè)人信息就被這個(gè)品牌所掌握。我不知道他們?yōu)槭裁葱枰业倪@些信息，他們獲得了這些信息之后又會(huì)干些什么？但他們愿意以兩折的優(yōu)惠獲取這些信息，不會(huì)平白無故。這些未知因素和不確定性，讓我感到可能有潛伏的風(fēng)險(xiǎn)。按照我的理解，我與這個(gè)品牌的關(guān)系非常簡單：他們生產(chǎn)符合我需求的產(chǎn)品，我付錢獲取他們的服務(wù)，如此而已。

1.2 控制方程

流體區(qū)域求解連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及湍流方程。

連續(xù)性方程：

湍流模型選取RNG k-ε 湍流模型，并結(jié)合增強(qiáng)壁面處理以解決湍流換熱問題[24-26]。

能量守恒方程：

隨著西方資本主義工業(yè)經(jīng)濟(jì)的日漸興起，商品在世界范圍內(nèi)流通的要求逐漸增強(qiáng)，客觀形勢的發(fā)展要求清政府審時(shí)度勢，正確處理國際事務(wù)，廣開貿(mào)易渠道。但是，由于清政府對世界形勢茫然無知，對發(fā)展海外貿(mào)易缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和判斷，加之頑固保守思想根深蒂固，導(dǎo)致閉關(guān)鎖國政策的出臺(tái)。清朝閉關(guān)政策主要表現(xiàn)在限制商品出口、限制外商活動(dòng)、對外國商船實(shí)施“引水”(領(lǐng)港)制度及實(shí)行行商制度等。

式中，ρ 為密度；u 為流速；cp為比定壓熱容；T 為溫度；μe為有效動(dòng)力黏度；Ke為有效熱導(dǎo)率；δij為克羅內(nèi)克符號(hào)；xi、xj、xk表示坐標(biāo)。

動(dòng)量守恒方程：

式中，k 為湍動(dòng)能；ε 為耗散率；ak和aε為湍流Prandtl 數(shù)；常數(shù)項(xiàng)C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=0.0845；Gk和Gb依次為源于剪切力和浮升力的湍流產(chǎn)生項(xiàng)；Rε為附加項(xiàng)。

固體區(qū)域求解如下熱傳導(dǎo)方程：

1.3 熱物性

以正癸烷作為研究工質(zhì)，其臨界壓力和臨界溫度分別為2.1 MPa 和617.7 K[27]，超臨界壓力下正癸烷的熱物性參數(shù)（密度、比熱容、熱導(dǎo)率和動(dòng)力黏度）取自文獻(xiàn)[27]。圖2 給出了三種壓力下密度和比熱容隨溫度的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著壓力增大熱物性隨溫度變化趨緩，比熱容峰值減小，對應(yīng)的擬臨界溫度提高。四種熱物性參數(shù)通過分段線性形式加入Fluent 14.5，實(shí)時(shí)線性插值獲取。

2.3 社會(huì)因素 涇河川道是彬州梨原主產(chǎn)區(qū)，但近年來隨著城鎮(zhèn)開發(fā)、交通路網(wǎng)建設(shè)及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，梨園面積不斷縮減，從東邊新民鎮(zhèn)早飯頭村至西邊涇河西區(qū)大佛寺村，沿涇河川道梨園已難得一見。煤礦周邊群眾多選擇進(jìn)礦務(wù)工，收入相當(dāng)可觀，遂逐漸放棄梨園管理。還有一些鎮(zhèn)為增加群眾收入，推廣坡臺(tái)地中藥材種植，收益近2 000元/畝，且管理、采收方便，相比之下梨園生產(chǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)工，效益還低，群眾自然不愿栽梨。

圖2 超臨界條件下正癸烷熱物性隨溫度的變化情況Fig.2 Thermo-physical properties variations with temperature of n-decane at supercritical conditions

1.4 數(shù)值方法

基于結(jié)構(gòu)化“O 型”網(wǎng)格劃分計(jì)算域，對流體域近壁面網(wǎng)格進(jìn)行了加密，保證壁面處第1 層網(wǎng)格無量綱距離y+＜1，前3 層網(wǎng)格滿足y+≤5，這樣可以確保近壁面流場的計(jì)算精度。固體域劃分了10層網(wǎng)格，對內(nèi)側(cè)網(wǎng)格也做了加密。計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，制定表1 所示的五種網(wǎng)格方案，計(jì)算結(jié)果表明，選取網(wǎng)格方案為（截面網(wǎng)格數(shù)量×軸向網(wǎng)格數(shù)量）2800×800 時(shí)，截面網(wǎng)格數(shù)量和軸向網(wǎng)格數(shù)量繼續(xù)增加，對出口溫度Tout和出口流速uout基本沒有影響，滿足計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格的無關(guān)性。管截面網(wǎng)格劃分情況見圖3。采用Fluent 14.5 雙精度分離求解器求解控制方程，通過二階迎風(fēng)差分格式離散控制方程，壓力和流速的耦合通過SIMPLEC 算法處理，隱式Gauss-Seidel 進(jìn)行迭代，連續(xù)性方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-5，其他控制方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為10-7。

1.5 模型驗(yàn)證

基于兩種方案驗(yàn)證RNG k-ε 湍流模型的有效性。方案一：實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為RP-3 航空煤油，水平圓管外徑為2.2 mm，壁厚為0.17 mm，管加熱長度為550 mm[28]。方案二：實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為正癸烷，豎直上升圓管外徑為3.0 mm，壁厚為0.5 mm，管加熱長度為760 mm[6]。圖4 給出了管內(nèi)壁溫度（管上母線Top 和管下母線Bottom）沿管軸向（l 為局部加熱長度，di為管內(nèi)徑）的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較情況。圖中，數(shù)值計(jì)算得到管內(nèi)壁溫度的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好，相對偏差落在±5%的范圍，說明選取的湍流模型和數(shù)值方法有效且合理。

圖3 管截面網(wǎng)格Fig.3 Mesh configuration in the cross section

表1 網(wǎng)格無關(guān)性分析Table 1 Grid-independence analysis

2 數(shù)值結(jié)果與分析

2.1 換熱特性與機(jī)理

本節(jié)研究中，圓管熱導(dǎo)率為20 W·m-1·K-1。運(yùn)行參數(shù)：質(zhì)量流速為1200 kg·m-2·s-1，外表面熱通量為1200 kW·m-2，壓力為3 MPa。考察兩種加熱模式不同周向角下的換熱特征和換熱差別。

圖4 數(shù)值模型驗(yàn)證Fig.4 Validation of numerical model

圖5給出了管頂部加熱和管底部加熱兩種條件下管內(nèi)壁溫度、管內(nèi)壁熱通量和傳熱系數(shù)沿管軸向的變化情況。由圖5(a)可以看到，兩種加熱模式下管加熱中心線位置（周向角為0°）的管壁溫度相同，從l=0.075 m 處開始管壁溫度陡增，出現(xiàn)傳熱惡化問題。該壁溫極值相比圖4 并不顯著，主要是因?yàn)橘|(zhì)量流速、熱通量、進(jìn)口溫度等運(yùn)行參數(shù)的差別，以及通道內(nèi)徑和加熱模式的不同。隨著周向角增大，管壁溫度下降，兩種加熱條件下出現(xiàn)壁溫差別，管底部加熱的管壁溫度高于管頂部加熱的情況。周向角越大，壁溫差別越突出。圖5(b)的結(jié)果表明，兩種加熱條件下管內(nèi)壁熱通量沿軸向和周向均呈非均勻分布，說明浮升力致使內(nèi)壁面熱通量出現(xiàn)了重新分配。周向角為0°和30°時(shí)，管底部加熱的熱通量高于管頂部加熱情況；周向角為60°時(shí)，兩種加熱條件下熱通量基本相同；周向角為90°和120°時(shí)，管頂部加熱熱通量高于管底部加熱情況；而周向角為150°和180°時(shí)，兩種加熱條件下的熱通量再次趨于相同。內(nèi)壁熱通量沿管軸向非恒定，傳熱惡化是其奇異性變化的主要原因。通過圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，周向角為0°～60°時(shí)，兩種加熱模式下傳熱系數(shù)相近，均出現(xiàn)了傳熱惡化現(xiàn)象。周向角增大，頂部加熱時(shí)換熱轉(zhuǎn)化為強(qiáng)化換熱，底部加熱時(shí)仍為傳熱惡化，換熱差別主要源于重力與加熱模式耦合出現(xiàn)的不同浮升力作用機(jī)制。

圖5 內(nèi)壁溫度、內(nèi)壁熱通量和傳熱系數(shù)的軸向分布情況Fig.5 Axial distributions of inner-wall temperature,innerwall heat flux and heat transfer coefficient

圖6給出了管截面溫度分布情況。由圖可以看到，固體域和流體域沿重力方向均出現(xiàn)了溫度分層現(xiàn)象。P1和P5位置，因主流溫度遠(yuǎn)離擬臨界溫度，熱物性變化平緩，浮升力較弱，兩種加熱條件下具有相近的溫度分布狀況。P2、P3和P4位置，兩種加熱條件下溫度分布存在顯著差別。浮升力作用下頂部加熱時(shí)流體溫度中心向下偏移，等值線呈扁橢圓形。而底部加熱時(shí)流體溫度中心向上拉伸，等值線呈長橢圓形。溫度分布決定密度和流速的分布狀況，影響換熱性能。

在此過程中，主要包含三部分，分組、分配任務(wù)、時(shí)間安排等等。小組內(nèi)部規(guī)定為6人，主要承擔(dān)的任務(wù)是搜集資料，整理材料，制作PPT，編寫對白，展示成果。所選擇的小組成員與具體任務(wù)分配，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況自主決定，小組成員之間輪流承擔(dān)不同人物。PBL教學(xué)模式的成功實(shí)施，主要是由學(xué)生是否可以承擔(dān)新型任務(wù)所決定，必須確?？梢猿袚?dān)求知者和合作者的雙重身份?；诜挚平虒W(xué)下開展英語口語PBL教學(xué)模式之前，教師還需要對學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，幫助學(xué)生了解PBL授課模式的具體流程、任務(wù)分配、成員角色、應(yīng)盡責(zé)任等，從而保證課堂教學(xué)能夠正常有序開展。

圖7給出了P2位置流體域密度和流速的分布情況。由圖可以看到，接近壁面處流體密度低于120 kg·m-3，已經(jīng)跨越擬臨界點(diǎn)，屬于低密度類氣態(tài)流體。這些低密度類氣態(tài)流體向管中心膨脹，厚度不斷增加，相當(dāng)于厚的蒸氣膜覆蓋在管內(nèi)壁面上，加大了傳熱的熱阻，出現(xiàn)類膜態(tài)沸騰傳熱惡化機(jī)制。其類似于亞臨界壓力下兩相流的膜態(tài)沸騰傳熱惡化問題。管底部加熱低密度流體分布的范圍更大，壁溫要高于管頂部加熱的情況。密度決定流速，致使管底部加熱時(shí)高流速范圍相比管頂部加熱情況更大，且出現(xiàn)畸變。

圖8 為二次流速度[usec=((ux)2+(uy)2)0.5]的分布情況。流體溫度分層導(dǎo)致密度的不均勻性，出現(xiàn)明顯密度分層。由圖8(a)可以看到，頂部加熱時(shí)高溫低密度流體位于管頂部表面，浮升力作用下頂部熱流體沿中垂線向下流動(dòng)，底部冷流體沿管壁向頂部流動(dòng)，形成二次流現(xiàn)象。二次流速度沿管軸向先增大后減小，最大二次流速度位于P2位置，其最大值位于兩側(cè)接近壁面。同時(shí)可以觀察到，二次流渦中心從近壁向管中心靠攏，P3處位于中垂線位置。隨后，二次流流向頂部，不再從中垂線往下流。圖8(b)結(jié)果表明，底部加熱時(shí)二次流流速比頂部加熱時(shí)要大，最強(qiáng)二次流也出現(xiàn)在P2位置。高溫低密度流體在底部時(shí)更容易沿側(cè)壁上流，因此，底部加熱時(shí)二次流更強(qiáng)，二次流速度更大，致使高溫流體的周向分布范圍更大，周向傳熱惡化范圍也更寬。底部加熱時(shí)二次流流線與頂部加熱時(shí)差異性較大，起初渦中心處于中垂線下半部，隨后其移向兩側(cè)并聚向頂部。

Grashof 數(shù)Gr 和Reynolds 數(shù)Re 是 描 述 流 動(dòng) 換 熱情況的兩個(gè)關(guān)鍵無量綱數(shù)，其定義如下[24]：

圖10(a)給出了不同熱通量下周向角0°位置管內(nèi)壁溫度Twi,0和壁溫差ΔTwi（即Twi,0-Twi,180）的軸向分布情況。圖10(b)為相應(yīng)管內(nèi)壁熱通量qi,0和熱通量差Δqi（即qi,0-qi,180）的軸向分布情況。質(zhì)量流速為1200 kg·m-2·s-1，壓力為3 MPa?？梢钥吹剑ǖ劳獗砻鏌嵬繙p小，內(nèi)壁溫度和內(nèi)壁熱通量銳減，壁溫差和熱通量差下降，這是吸熱需求減小的效果。

圖6 管截面溫度分布情況Fig.6 Temperature distributions at tube cross sections

圖7 P2截面密度和軸向流速Fig.7 Density and axial velocity at P2 cross section

式中，ν 為流體運(yùn)動(dòng)黏度；下角標(biāo)b 和w 分別表示主流和壁面。

? Henke，Das Recht der Wirtschaftssubventionen als oeffentliches Vertragsrecht，1979，S．23．

圖9 給出了兩種加熱條件下Grashof 數(shù)和Reynolds 數(shù)的軸向分布情況。可以看到，Grashof 數(shù)沿軸向先增大后減小，其峰值與通道內(nèi)壁溫峰值相對應(yīng)，該位置浮升力最大，說明傳熱惡化與浮升力作用密切相關(guān)。不同加熱模式下Grashof 數(shù)基本相同，說明兩種情況下浮升力大小相同，換熱差別的原因是浮升力和熱流傳導(dǎo)的耦合機(jī)制不同，引起二次流強(qiáng)度的不同。Reynolds數(shù)沿軸向先增大后保持恒定，兩種加熱條件下并無差別。這主要是因?yàn)榧訜崮Ｊ交静挥绊懲ǖ榔骄鶅?nèi)壁溫、平均內(nèi)壁熱通量和主流溫度，僅決定熱通量和壁溫的局部分布情況。

圖8 管截面二次流速度Fig.8 Secondary flow velocity at tube cross sections

圖9 Grashof數(shù)和Reynolds數(shù)的軸向分布情況Fig.9 Axial distributions of Grashof number and Reynolds number

2.2 運(yùn)行參數(shù)的影響

Pr——Prandtl數(shù)

非洲豬瘟是由非洲豬瘟病毒引起的一種急性、熱性、高度接觸性動(dòng)物傳染病,發(fā)病率和病死率可高達(dá)100%。豬（包括家豬和野豬）是非洲豬瘟病毒唯一的易感宿主,且無明顯品種、日齡和性別差異，其他動(dòng)物不感染該病。

圖11給出了不同質(zhì)量流速下Twi,0、Twi、qi,0和Δqi的軸向分布情況。熱通量為1200 kW·m-2，壓力為3 MPa。質(zhì)量流速提高，兩種加熱模式內(nèi)壁溫度均下降，頂部加熱時(shí)壁溫差減小，底部加熱時(shí)壁溫差先減小后增大。質(zhì)量流速提高，頂部加熱時(shí)內(nèi)壁熱通量和熱通量差均增大，底部加熱時(shí)兩者均呈現(xiàn)先增大后減小的變化特征。周向角0°位置內(nèi)壁熱通量的異常變化由傳熱惡化引起，質(zhì)量流速提高或外表面熱通量下降（即降低熱質(zhì)比）均起到抑制傳熱惡化的作用，熱通量及其差值的奇異性變化減弱，底部加熱時(shí)熱通量的變化還取決于二次流的作用機(jī)制。

盧志文：我比較提倡教育家辦學(xué)。教育應(yīng)該由懂教育的人辦，改革學(xué)校行政化管理模式，取消學(xué)校的行政級別。公辦學(xué)校本質(zhì)上是“教育局辦學(xué)”，學(xué)校辦學(xué)自主權(quán)的獲得源于體制；民辦學(xué)校中，學(xué)校的辦學(xué)制度是一種法律，校長作為經(jīng)理進(jìn)行考察。中國經(jīng)濟(jì)的繁榮奇跡，是從解放企業(yè)和企業(yè)家開始的，中國教育的繁榮也將從解放學(xué)校和校長開始。只有每個(gè)細(xì)節(jié)都被激活了，機(jī)體的生命力才會(huì)旺盛。體制是一種結(jié)構(gòu)，變革體制是以結(jié)構(gòu)謀功能，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定功用，所以體制創(chuàng)新是一種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，盡管都是碳原子，但彼此的組合方式不同，形成的物質(zhì)也千差萬別。

圖10 熱通量對Twi,0、ΔTwi、qi,0和Δqi軸向分布的影響Fig.10 Effect of heat flux on axial distributions of Twi,0,ΔTwi,qi,0 and Δqi

圖11 質(zhì)量流速對Twi,0、ΔTwi、qi,0和Δqi軸向分布的影響Fig.11 Effect of mass flux on axial distributions of Twi,0,ΔTwi,qi,0 and Δqi

圖12 壓力對Twi,0、ΔTwi、qi,0和Δqi軸向分布的影響Fig.12 Effect of pressure on axial distributions of Twi,0,ΔTwi,qi,0 and Δqi

圖12 給出了不同壓力下Twi,0、Twi、qi,0和Δqi的軸向分布情況。質(zhì)量流速為1200 kg·m-2·s-1，熱通量為1200 kW·m-2。由圖可以看到，運(yùn)行壓力增大，壁溫線性增大，不再突增，對應(yīng)范圍壁溫差減??；因?yàn)閭鳠釔夯辉俪霈F(xiàn)，內(nèi)壁熱通量及其差值的奇異性變化也不再出現(xiàn)。

圖13 給出了不同工況下周向角0°位置傳熱系數(shù)的軸向分布情況?；鶞?zhǔn)工況：質(zhì)量流速為1200 kg·m-2·s-1，熱通量為1200 kW·m-2，壓力為3 MPa。改變熱通量為800 kW·m-2，探究熱通量的影響；改變質(zhì)量流速為1800 kg·m-2·s-1，討論質(zhì)量流速的影響；改變壓力為5 MPa，分析運(yùn)行壓力的影響?？梢钥吹剑ǖ劳獗砻鏌嵬繙p小、質(zhì)量流速增大、壓力提高均使傳熱惡化減弱。同時(shí)，兩種加熱模式的換熱差別減小，說明浮升力的影響被削弱。

圖13 不同工況下傳熱系數(shù)的軸向分布情況Fig.13 Heat transfer coefficient axial distributions under different conditions

通過二次流強(qiáng)度Se 定量描述二次流對換熱的影響，其定義如下[29]：

式中，A為流體域的圓截面面積。

圖14為二次流強(qiáng)度沿管軸向的分布情況，工況與圖13相同。由圖可以發(fā)現(xiàn)，二次流強(qiáng)度沿管軸向先增大后減小，其峰值滯后于二次流速度峰值出現(xiàn)的位置。同時(shí)可以看到，底部加熱時(shí)二次流強(qiáng)度高于頂部加熱情況，說明底部加熱時(shí)浮升力作用更顯著。一方面，浮升力導(dǎo)致內(nèi)壁熱通量隨著周向角增大異變?yōu)橄仍龃蠛鬁p小，總熱流量相同條件下熱流被重新分配。另一方面，高溫?zé)崃黧w分布的周向角范圍擴(kuò)大。故底部加熱時(shí)始終為傳熱惡化問題。頂部加熱時(shí)浮升力較弱，高溫流體分布的周向角范圍小，隨周向角提高由傳熱惡化逐漸轉(zhuǎn)化為強(qiáng)化換熱，這就是兩種加熱條件下不同的周向換熱機(jī)理。通道外表面熱通量減少、質(zhì)量流速增大、壓力提高均使二次流強(qiáng)度峰值減小，二次流減弱。

圖14 不同工況下Se的軸向分布情況Fig.14 Axial distributions of Se under different conditions

2.3 通道熱導(dǎo)率的影響

本節(jié)討論通道材料（熱導(dǎo)率,K）對換熱的影響機(jī)制。通道熱導(dǎo)率范圍通常為20～100 W·m-1·K-1[30]。運(yùn)行參數(shù)：質(zhì)量流速為1200 kg·m-2·s-1，外表面熱通量為1200 kW·m-2，壓力為3 MPa。

圖15 為兩種管熱導(dǎo)率下Twi,0、Twi、qi,0和Δqi的軸向分布情況?；鶞?zhǔn)工況的通道熱導(dǎo)率設(shè)定為20 W·m-1·K-1，探討高熱導(dǎo)率（100 W·m-1·K-1）對換熱的影響。圖15(a)表明，通道熱導(dǎo)率提高，管加熱中心線位置內(nèi)壁溫度整體減小，而對壁溫突增和傳熱惡化基本沒有影響。同時(shí)，周向壁溫差隨通道熱導(dǎo)率提高也大幅下降，加熱模式對壁溫分布的影響減弱。通過圖15(b)可以發(fā)現(xiàn)，通道熱導(dǎo)率提高，管加熱中心線位置內(nèi)壁熱通量和周向熱通量差下降，而加熱模式對熱通量分布的影響增強(qiáng)。說明通道熱導(dǎo)率影響固壁熱傳導(dǎo)過程，縮小壁溫和熱流周向差別。

圖15 管熱導(dǎo)率對Twi,0、ΔTwi、qi,0和Δqi軸向分布的影響Fig.15 Effect of tube thermal conductivity on axial distributions of Twi,0,ΔTwi,qi,0 and Δqi

圖16 給出了兩種管熱導(dǎo)率下周向角0°位置傳熱系數(shù)的軸向分布情況。由圖可以看到，通道熱導(dǎo)率提高，傳熱系數(shù)增大，也擴(kuò)大了兩種加熱模式的傳熱系數(shù)差別。

圖16 不同管熱導(dǎo)率下傳熱系數(shù)的軸向分布情況Fig.16 Axial distributions of heat transfer coefficient under different tube thermal conductivity conditions

圖17 為不同管熱導(dǎo)率下二次流強(qiáng)度沿管軸向的分布情況。由圖可以發(fā)現(xiàn)，通道熱導(dǎo)率提高，二次流強(qiáng)度增大，同時(shí)縮小了不同加熱模式的二次流強(qiáng)度差別。

2.4 換熱關(guān)聯(lián)式

基于換熱關(guān)聯(lián)式獲得對通道周向平均換熱的預(yù)測，對于再生冷卻通道設(shè)計(jì)極為重要。其他參數(shù)相同的條件下，通道外表面不同的加熱模式影響周向參數(shù)的分布狀況，對周向局部位置換熱的影響較為突出，而對周向平均換熱僅有微弱的影響。因此，建立統(tǒng)一的換熱關(guān)聯(lián)式便可實(shí)現(xiàn)周向平均換熱性能的預(yù)測。

圖17 不同管熱導(dǎo)率下Se的軸向分布情況Fig.17 Axial distributions of Se under different tube thermal conductivity conditions

通過多元線性回歸，提出如下?lián)Q熱公式：

考慮變工況特性的微能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃:(二)優(yōu)化模型及方法//田立亭,程林,李建林,郭劍波//(20):17

式中，Pr 為Prandtl 數(shù)，Pr=μbcpb/Kb；下角標(biāo)av 表示取7 個(gè)周向角位置的平均數(shù)值。適用的參數(shù)范圍：Re≥3.6×104，Pr≤3.5。

圖18 給出了由擬合公式得到周向平均Nusselt數(shù)(Nuav.emp)與數(shù)值結(jié)果（Nuav.num）的比較情況。由圖可以看到，兩者的相對偏差基本落在±15%的范圍，滿足熱防護(hù)設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用。

圖18 平均Nusselt數(shù)擬合公式值與數(shù)值結(jié)果的比較Fig.18 Comparison of the average Nusselt number from fitted correlation with the numerical data

3 結(jié) 論

本文開展了頂部加熱和底部加熱水平圓管內(nèi)超臨界壓力正癸烷對流換熱的模擬研究，獲得了如下結(jié)論。

（1）通道內(nèi)壁面存在傳熱惡化現(xiàn)象，高溫流體類膜態(tài)熱阻是該傳熱惡化的原因。通道加熱中心位置傳熱惡化最為顯著，兩種加熱模式浮升力作用不同，二次流型式也不同。底部加熱二次流強(qiáng)度比頂部加熱更強(qiáng)，高溫流體周向分布范圍更大，傳熱性能弱于頂部加熱情況。

純粹“人工智能創(chuàng)作”結(jié)果的這兩個(gè)層面的屬性產(chǎn)生的條件不同，意義和價(jià)值也有所不同，因此有必要在法律上加以區(qū)分，以便更準(zhǔn)確地界定其不同的法律保護(hù)方式。例如，基于人工智能創(chuàng)作結(jié)果的雙重屬性，我們得以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的所有權(quán)與數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的有價(jià)值表達(dá)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并進(jìn)一步區(qū)分這兩個(gè)不同層面的權(quán)利保護(hù)方式。［16］當(dāng)然，這兩個(gè)層面的屬性也存在密切聯(lián)系。數(shù)據(jù)層面的屬性是表達(dá)層面的存在基礎(chǔ)，表達(dá)層面則是數(shù)據(jù)層面的價(jià)值來源。數(shù)據(jù)層面的計(jì)算結(jié)果只有在蘊(yùn)含于其中的獨(dú)創(chuàng)性表達(dá)被挖掘出來之后才具有市場價(jià)值，因此其價(jià)值在于其作為挖掘?qū)ο笏N(yùn)含的表達(dá)，未經(jīng)挖掘的原始數(shù)據(jù)并不能因?yàn)樘N(yùn)含于其中的有價(jià)值表達(dá)而獲得版權(quán)法保護(hù)。

（2）二次流可以擴(kuò)大周向的參數(shù)差別，提高運(yùn)行壓力、降低熱質(zhì)比、采用高熱導(dǎo)率通道均起到抑制二次流強(qiáng)度的作用，縮小了周向的壁溫和熱通量差別。

（3）建立換熱關(guān)聯(lián)式，實(shí)現(xiàn)了通道周向平均換熱的預(yù)測。預(yù)測公式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值數(shù)據(jù)的相對偏差落在±15%的范圍。

符 號(hào) 說 明

以意大利山洪預(yù)警系統(tǒng)為例，歐盟一些國家所建設(shè)的山洪預(yù)警系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)可視化的便于操作的平臺(tái)；具有不同功能的模塊，包括服務(wù)器優(yōu)化計(jì)算分析模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)模塊，雷達(dá)數(shù)據(jù)管理和處理模塊；綜合形成預(yù)警信息的決策信息生成系統(tǒng)。在監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)中，歐盟非常重視基礎(chǔ)工作，例如建立相對比較詳細(xì)的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫，開展降雨與流量的耦合監(jiān)測和分析，進(jìn)行山洪災(zāi)害事件現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)整編入庫等。

（1）運(yùn)行壓力(p)為3～5 MPa；

d——直徑，m

G——質(zhì)量流速，kg·m-2·s-1

A——面積，m2

h——傳熱系數(shù)，kW·m-2·K-1

K——熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

l——加熱長度，m

由于行政事業(yè)單位的管理者對內(nèi)部控制工作不夠重視，使得單位不能很好地貫徹和落實(shí)國家傳達(dá)的各項(xiàng)政策。行政事業(yè)單位的管理者對國家政策中的核心的理念理解不夠深入，進(jìn)而在單位內(nèi)部控制建設(shè)上產(chǎn)生消極的態(tài)度，不能很好地發(fā)揮內(nèi)部控制的真正作用。

Nu——Nusselt數(shù)

本節(jié)主要探究運(yùn)行參數(shù)對換熱的影響機(jī)制。圓管熱導(dǎo)率保持20 W·m-1·K-1。

UPS的配置應(yīng)根據(jù)發(fā)信臺(tái)設(shè)備的用電功率以結(jié)合其他因素做精確計(jì)算后進(jìn)行配置，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，目前發(fā)信臺(tái)正在運(yùn)行的設(shè)備及所需功率如表2。

p——壓力，MPa

q——熱通量，kW·m-2

Re——Reynolds數(shù)

T——溫度，K

u——流速，m·s-1

ρ——密度，kg·m-3

下角標(biāo)

av——平均值

阿什河流域內(nèi)土壤飽和導(dǎo)水率與土壤儲(chǔ)水能力的空間數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。阿什河流域東部森林分布區(qū)土壤飽和保水率大、土壤儲(chǔ)水能力相對較強(qiáng)，具有很強(qiáng)的下滲性，加之土壤儲(chǔ)水能力較強(qiáng)，對流經(jīng)河岸植被緩沖帶的地表水體的滯留能力也較強(qiáng)；對地下水而言，飽和導(dǎo)水率越大，流經(jīng)河岸植被緩沖帶的地下水流速也相對較大。而阿什河流域西部地區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率與土壤儲(chǔ)水能力較弱，對地表水阻流作用較小，但對地下水的滯留時(shí)間相對較長。

b——主流

emp——經(jīng)驗(yàn)值

num——模擬值

in——進(jìn)口

sec——二次流

wi/i——內(nèi)壁/內(nèi)部