跨临界水湍流黏性底层数值模拟与分析

王 超， 陈 灿， 李鸿源， 徐 鸿

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

超临界水在超临界水火力发电[1-2]、核能发电[3-4]、超临界水反应器氧化[5-6]和气化[7-8]等领域具有较高的应用价值，但腐蚀产物颗粒沉积带来的安全和经济问题越来越明显，包括传热阻力[9]和流动阻力[10]增加、发生堵管[11]和汽轮机磨蚀[12]等。

当水从亚临界状态被加热到超临界状态时，跨临界区水的物性参数变化很大，会导致传热恶化和流量波动，同时水工质在发电系统应用过程中往往会携带给水系统腐蚀产生的铁离子，并以颗粒的形式通过传质过程沉积在管道壁面[13]。因此，跨临界区的流场参数不仅影响传热，还会影响流体中腐蚀产物颗粒的传质。颗粒在近壁面的质量传递过程中，黏性底层反向升力能有效降低颗粒向壁面的扩散速率。反向升力的大小和作用距离分别由黏性底层的速度梯度和边界层厚度决定。因此，水跨临界流动的边界层变化对腐蚀产物颗粒的传质评估至关重要。

近年来，研究人员对跨临界区的传热和水的流量波动开展了相关实验和数值模拟[2,14]研究。为获得跨临界水流动的边界层特征，笔者采用SSTk-ω湍流模型[15]对直管中跨临界水流动进行数值模拟，研究跨临界区边界层厚度和速度梯度的变化特征，分析沉积层变化对颗粒近壁面传质的影响规律，为提高超临界水的工业应用安全性提供参考依据。

1 数学模型

选用(SST)k-ω湍流模型来描述连续相跨临界水的流动。……