引言

在現(xiàn)代工業(yè)和科學研究中，超臨界流體因其獨特的物理性質而備受關注。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、航空航天等領域具有廣泛的應用前景，例如超臨界水、超臨界二氧化碳以及各種超臨界狀態(tài)有機工質的研究等。然而，超臨界流體的流動傳熱問題復雜，需要借助先進的模擬仿真工具來實現(xiàn)對其流動傳熱特性的精準分析。本文將介紹VirtualFlow軟件在超臨界流動傳熱模擬中的應用，并通過具體算例展示其強大的功能。

圖 1 超臨界流體PT圖

1.VirtualFlow中的變物性表達方法

在超臨界流動傳熱模擬中，準確處理流體的變物性是關鍵。VirtualFlow軟件提供了多種方法來實現(xiàn)對超臨界流體熱物性參數(shù)的準確表達，以下是幾種主要方法：

1.1  直接插值方法

在狀態(tài)點足夠密集的情況下，直接插值方法可以實現(xiàn)高精度的物性參數(shù)計算。VirtualFlow支持從美國國家標準與技術研究院（NIST）數(shù)據(jù)庫中直接查找數(shù)據(jù)，并通過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curve_fit方法，采用dat文件讀入方式實現(xiàn)單線性插值。

圖 2 dat文件格式

1.2  狀態(tài)方程

對于超臨界物性參數(shù)，VirtualFlow還內置了多種狀態(tài)方程。通過對狀態(tài)方程的求解，可以直接得到該狀態(tài)下的物性參數(shù)，滿足對一般超臨界物性的設置需求。

圖 3 VirtualFlow中設置狀態(tài)方程

圖 4  VirtualFlow中UDF模版選擇

2.VirtualFlow的NIST數(shù)據(jù)庫測試

2.1  測試說明

為了驗證VirtualFlow中NIST物性功能模塊的準確性和穩(wěn)定性，我們在ubuntu環(huán)境下進行了測試。測試算例如下：

2.2  測試算例

圖 5 終端顯示收斂殘差

圖 6 管內壓力場

圖 7 管內溫度場

圖 8 管內密度場

圖 9 管內粘性系數(shù)

圖 10 管內導熱系數(shù)

2.3  測試結論

通過對比VirtualFlow計算結果與NIST物性庫在相同P-T下的查詢值，驗證了NIST物性功能模塊的準確性。流場中的物性數(shù)據(jù)與NIST物性庫一致，求解穩(wěn)定性良好。

3.超臨界水計算

3.1幾何模型

圖 11管束模型

管束尺寸結構外徑為8mm，長度為600mm。在數(shù)值建模中，不考慮固體導熱，只關注超臨界水的流動傳熱特性。

圖 12橫截面網格劃分

圖 13軸向網格劃分

圖 14 光管模型商軟網格劃分結果

3.4邊界處理

圖 15 管束模型邊界條件示意圖

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

3.6 小結

4.總結

綜上所述，VirtualFlow軟件憑借其強大的物性處理能力和高效的數(shù)值計算性能，能夠為超臨界流動傳熱模擬提供可靠的解決方案，適用于能源、化工、航空航天等領域的復雜流動傳熱問題研究。