范世望， 朱郁波， 周 璐， 劉 杰， 錢娛佳， 閔皆昇

(1.上海汽輪機(jī)廠有限公司， 上海 200240； 2.浙江遠(yuǎn)算科技有限公司， 杭州 310012)

近年來，眾多科研與工程人員針對(duì)使用超臨界二氧化碳(sCO2)作為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)開展了廣泛的研究。相比于普遍應(yīng)用的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)，sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電效率顯著提高，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸顯著縮小等優(yōu)點(diǎn)。在sCO2布雷頓循環(huán)中，壓縮機(jī)、透平等設(shè)備尺寸都較小，而傳統(tǒng)換熱器尺寸較大，為了滿足整個(gè)系統(tǒng)的尺寸要求，一般選擇結(jié)構(gòu)更加緊湊、耐高溫高壓的印刷電路板式微通道換熱器(printed circuit heat exchanger，PCHE)。在相同的熱負(fù)荷下，PCHE與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，體積和質(zhì)量可以減少約80%[1]。除了體積較小這一優(yōu)點(diǎn)外，由于特殊的加工工藝，PCHE在交變應(yīng)力、高壓條件下也具備很好的安全性和可靠性，因此尤其適用于物理性質(zhì)容易發(fā)生劇烈變化的超臨界流體，比如目前PCHE已逐漸成為深海浮式液化天然氣裝置的首選[2]；在核能領(lǐng)域，第四代反應(yīng)堆鈉冷快堆也采用PCHE作為sCO2布雷頓循環(huán)中最為推薦的換熱器[3]。

在sCO2布雷頓循環(huán)中的回?zé)崞鳌㈩A(yù)冷器等換熱器是最重要的設(shè)備之一，研究結(jié)果[4-5]表明，換熱器對(duì)于系統(tǒng)性能的提升具有關(guān)鍵作用，換熱器的換熱效率與穩(wěn)定性將直接影響到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的安全性和效率。比如，循環(huán)中的預(yù)冷器出口直接通向主壓縮機(jī)，其換熱效率將直接影響主壓縮機(jī)的運(yùn)行工況。因此優(yōu)化換熱器的傳熱效率，能夠使sCO2在進(jìn)入壓縮機(jī)與透平之前得到充分的熱量交換，確保循環(huán)當(dāng)中壓縮機(jī)和透平的工作環(huán)境滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)設(shè)的性能，提高整個(gè)sCO2布雷頓循環(huán)的效率。

目前對(duì)于PCHE中的超臨界二氧化碳流動(dòng)換熱特性，中外開展了大量研究。在實(shí)驗(yàn)研究方面，吳新明[6]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了sCO2在豎直圓管內(nèi)的流動(dòng)傳熱特性，提出了新的傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；Nikitin等[7]通過實(shí)驗(yàn)得出了PCHE中傳熱與壓降的經(jīng)驗(yàn)公式；徐婷婷等[8]采用分段設(shè)計(jì)的方法建立了數(shù)學(xué)模型，研究了在不同的結(jié)構(gòu)和工況下PCHE的性能；張麗娜等[9]研究了微細(xì)管中的sCO2流動(dòng)特性，回歸出冷卻條件下豎直向上流動(dòng)和豎直向下流動(dòng)時(shí)的換熱關(guān)聯(lián)式；針對(duì)不同的流道形狀，Lee等[10]對(duì)Z形流道PCHE進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；鄒智鑫等[11]既對(duì)換熱器進(jìn)行了熱動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，也通過數(shù)值模擬的方法分析了換熱器的熱應(yīng)力，熱分析數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合程度較好，通過數(shù)值模擬分析評(píng)估換熱器的傳熱特性是可行的；Ngo等[12]使用數(shù)值模擬的方法研究了sCO2在S形流道PCHE內(nèi)的流動(dòng)換熱特性；Hu等[13]采用大渦模擬的方法對(duì)Z形流道PCHE內(nèi)的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了研究；然而，目前的研究集中在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，對(duì)非穩(wěn)定運(yùn)行工況的PCHE中的流動(dòng)換熱特性研究較少。sCO2的臨界溫度為31.1 ℃，臨界壓力為7.4 MPa，相比于水來說(374 ℃， 22.1 MPa)臨界條件很容易滿足。但是二氧化碳在近臨界點(diǎn)附近比熱、密度都會(huì)隨溫度和壓強(qiáng)產(chǎn)生急劇的變化，因此在非穩(wěn)定運(yùn)行工況下，如啟動(dòng)階段或者運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生波動(dòng)的PCHE中，運(yùn)行狀態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致二氧化碳的物性產(chǎn)生急速變化，可能導(dǎo)致在某些部位脫離超臨界狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)的安全性和有效性產(chǎn)生影響。另外，通過實(shí)驗(yàn)的方式也很難取得非穩(wěn)態(tài)工況下的換熱器內(nèi)部溫度和壓強(qiáng)的不均勻分布情況。因此，數(shù)值仿真作為補(bǔ)充手段，可以為PCHE的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更加全面的信息。

采用流體-固體強(qiáng)耦合傳熱模型， 在每個(gè)時(shí)間步的計(jì)算中， 實(shí)時(shí)交換流體-固體交界面的傳熱信息。首先對(duì)設(shè)計(jì)工況下穩(wěn)定運(yùn)行的PCHE內(nèi)部的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行研究分析，并同設(shè)計(jì)性能要求進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真手段對(duì)于換熱過程的分析能力。隨后，采用非穩(wěn)定運(yùn)行工況，即PCHE冷通道內(nèi)的流量緩慢或者急速增加的工況下，對(duì)PCHE內(nèi)部的溫度變化和換熱能力不均勻分布進(jìn)行分析，并識(shí)別由于非穩(wěn)態(tài)工況下流量變化造成的sCO2可能脫離超臨界態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，為PCHE的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

另外，采用的數(shù)值仿真計(jì)算工具是開源的CFD數(shù)值仿真軟件Code_Saturne[14]耦合開源的固體傳熱有限元分析軟件Syrthes，sCO2的物性數(shù)據(jù)來自于開源材料熱物理屬性庫CoolProp[15]，計(jì)算的幾何建模及后處理可視化工具使用開源工具平臺(tái)Salome的一整套開源工具鏈。開源軟件具備了代碼透明性和良好的二次開發(fā)可擴(kuò)展性，通過驗(yàn)證采用開源工具鏈進(jìn)行PCHE的傳熱過程的仿真能力，為接下來進(jìn)行基于開源軟件開發(fā)超臨界二氧化碳循環(huán)數(shù)值分析專用工具平臺(tái)，建立針對(duì)超臨界二氧化碳發(fā)電設(shè)施的數(shù)字孿生系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

1 計(jì)算方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 流體區(qū)域的控制方程

PCHE管道內(nèi)的sCO2工質(zhì)流體區(qū)域由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程描述，即

(1)

(2)

(3)

(4)

?·(k?T)+S

(5)

式中：ρ和u分別為流體的密度和速度矢量；u、v、w為在不同方向上的分速度；μ為分子動(dòng)力黏度；SMx、SMy、SMz為不同方向上的動(dòng)量源項(xiàng)；T為流體溫度；k為流體的熱導(dǎo)率；Cp為流體比熱容；S為外部源項(xiàng)。

流體區(qū)域的計(jì)算采用自適應(yīng)時(shí)間步長的瞬態(tài)算法，保證庫倫數(shù)在5以內(nèi)，速度-壓強(qiáng)耦合求解采用SIMPLEC算法，湍流模型使用k-εLinear Production模型。

1.1.2 固體區(qū)域的控制方程

溫度傳遞一般通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式進(jìn)行。在PCHE固體區(qū)域溫度傳遞的計(jì)算中，熱傳導(dǎo)的方式占據(jù)主導(dǎo)地位。固體區(qū)域傳熱用方程描述為

(6)

式(6)中：ρs為固體區(qū)域的密度；Cps為固體材料的比熱容；T是固體溫度場(chǎng)，q為熱流。

1.1.3 流體-固體計(jì)算區(qū)域的耦合

流體區(qū)域和固體區(qū)域的傳熱耦合是通過流體區(qū)域求解器Code_Saturne和固體區(qū)域求解器Syrthes的強(qiáng)耦合實(shí)現(xiàn)的。Code_Saturne內(nèi)置Syrthes耦合傳熱計(jì)算接口， 分別在Code_Saturne和Syrthes求解器中進(jìn)行指明流體-固體區(qū)域的交界面就可以實(shí)現(xiàn)流體-固體傳熱耦合計(jì)算。計(jì)算進(jìn)行過程中，在每一個(gè)時(shí)間步的迭代內(nèi)，流體區(qū)域求解器會(huì)將交界面的熱流計(jì)算結(jié)果傳遞到固體區(qū)域求解器，并從固體區(qū)域求解器獲得交界面的溫度計(jì)算結(jié)果，再進(jìn)行下一次的迭代循環(huán)。

2 幾何模型

研究中的PCHE是sCO2再壓縮布雷頓循環(huán)中的預(yù)冷器，圖1為一個(gè)典型的sCO2再壓縮布雷頓循環(huán)。該P(yáng)CHE采用雙層板排列設(shè)計(jì)，熱流體采用sCO2，冷流體為液態(tài)水，兩者通過逆流的方式進(jìn)行換熱。

1～8表示循環(huán)中sCO2工質(zhì)流動(dòng)過程圖1 sCO2再壓縮布雷頓循環(huán)示意圖Fig.1 Diagram of re-compression Brayton cycle of sCO2

PCHE總長度為0.365 64 m，其截面結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，冷、熱通道的截面直徑分別為 0.994 mm 和1.017 mm 的半圓形，相鄰平行冷、熱通道間的壁厚為0.25 mm，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

D為通道直徑；H為換熱板間壁厚；E為通道間壁厚圖2 PCHE的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of PCHE

表1 PCHE的設(shè)計(jì)尺寸

整個(gè)PCHE中的冷通道數(shù)量Nc和熱通道數(shù)量Nh基本相等，比例為

(7)

因此，在仿真計(jì)算中為了減少計(jì)算所需要的網(wǎng)格量并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用5×5組的冷、熱通道所覆蓋的流體-固體換熱區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域(圖3)， 流動(dòng)傳熱特性分析采用位于最中心的冷、熱通道的計(jì)算結(jié)果，來保證分析結(jié)果充分考慮了相鄰流道之間的傳熱過程和相互影響。

2.1 網(wǎng)格劃分

流體區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將半圓形通道分為4個(gè)塊組進(jìn)行網(wǎng)格劃分，近壁面區(qū)域滿足y+值在100以內(nèi)，第一層網(wǎng)格厚度約為0.036 mm，流體區(qū)域包含冷、熱通道的總網(wǎng)格數(shù)目為2 820 000個(gè)。固體區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，截面上的單元長度保證在0.15 mm以下，固體區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)目為2 108 700個(gè)。流體區(qū)域和固體區(qū)域的網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分及參數(shù)Fig.3 Diagram of mesh and generation parameters

2.2 計(jì)算工況設(shè)置

2.2.1 穩(wěn)定運(yùn)行工況

PCHE的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況為冷通道段進(jìn)入溫度為25 ℃的冷卻水， 熱通道端為進(jìn)入溫度為35 ℃的sCO2進(jìn)行熱量交換。穩(wěn)定運(yùn)行情況下的PCHE傳熱特性分析使用的流體區(qū)域的邊界條件如表2所示。

表2 PCHE流體區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行工況邊界條件設(shè)置

其中，PCHE工作流體(冷卻水和sCO2)的物性通過耦合Code_Saturne和開源材料熱物理屬性庫CoolProp進(jìn)行計(jì)算給出。PCHE固體區(qū)域的材料物性設(shè)置和邊界條件設(shè)置如表3所示。

表3 PCHE固體域穩(wěn)態(tài)工況物性與邊界條件

2.2.2 非穩(wěn)定運(yùn)行工況

非穩(wěn)定運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的是PCHE預(yù)冷器的冷通道內(nèi)的冷卻水流量由小變大的情況。以穩(wěn)定的充分換熱的PCHE作為初始狀態(tài)，隨后冷通道內(nèi)的質(zhì)量流量在50 s內(nèi)從108 kg/s升高到 245 kg/s，對(duì)應(yīng)變化率為2.74 kg/s。通過非穩(wěn)定運(yùn)行工況下的PCHE內(nèi)部的冷、熱通道溫度和Nusselt數(shù)的變化，分析非穩(wěn)定運(yùn)行情況對(duì)于PCHE整體運(yùn)行狀態(tài)的影響，及其可能導(dǎo)致sCO2偏離超臨界態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 傳熱特性的分析方法

為了分析PCHE的傳熱特性，計(jì)算了流體區(qū)域和固體區(qū)域進(jìn)行換熱的表面的努塞爾數(shù)Nu。Nu是用來衡量對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)之間強(qiáng)弱的無量綱數(shù)，其定義為

(8)

式(8)中：h為對(duì)流換熱系數(shù)；L為特征長度；k為流體的導(dǎo)熱率。實(shí)際工程中，一般通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行Nu的計(jì)算，分別采用如下兩個(gè)Nu計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式： Dittus-Boelter方程和Gnielinski方程。

Dittus-Boelter方程計(jì)算Nu的形式[16]為

Nu=0.023Re4/5Prn

(9)

式(9)中：D為管道直徑， 對(duì)于被加熱的流體，n=0.4，對(duì)于被冷卻的流體，n=0.3。Dittus-Boelter方程是工程上常用的Nu計(jì)算公式，一般適用于Re大于10 000，普蘭特?cái)?shù)Pr在0.6～160，L/D≥10的流體流動(dòng)，但對(duì)于溫度跨度過大的流動(dòng)計(jì)算可能不夠精確。并且Dittus-Boelter方程專用于光滑管道。因此，采用了更加適用的Gnielinski方程進(jìn)行Nu的計(jì)算。

Gnielinski方程[17]為

(10)

式(10)中：f為Darcy摩擦因子，可以從Moody表中取得，或是從Petukhov公式中計(jì)算得

f=[0.79lnRe-1.64]-2

(11)

Gnielinski方程適用于Re在3 000～5 000 000，Pr在0.5～2 000的流動(dòng)，因此更加適用于計(jì)算工況。

另外，在非穩(wěn)定運(yùn)行工況下，分析了sCO2可能脫離超臨界態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)大小，使用偏離超臨界態(tài)指標(biāo)S作為標(biāo)記，S的取值方法為

(12)

式(12)中：TC=31.1 ℃為CO2的臨界溫度；PC=7.4 MPa 為CO2的臨界壓強(qiáng)。通過偏離超臨界態(tài)指標(biāo)S的數(shù)值，可以判斷哪些區(qū)域(即S=1)的溫度或者壓強(qiáng)的值已經(jīng)低于或等于超臨界點(diǎn)，有可能產(chǎn)生安全隱患。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 穩(wěn)定運(yùn)行工況計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定運(yùn)行工況下，首先分析不同位置的PCHE截面的溫度分布云圖。如圖4所示，取z=0(冷通道入口)、z=L/4、z=L/2、z=3L/4以及總長度z=L(熱通道入口處)的溫度截面云圖，可以觀察到在PCHE內(nèi)部的流體區(qū)域和固體區(qū)域都存在溫度不均勻分布的情況。沿著流道方向，流體區(qū)域的溫度隨著傳熱過程從流道表面至中心區(qū)域逐漸升高。在每個(gè)截面上，固體區(qū)域從冷通道作為起始的截面邊緣到熱通道作為起始的截面邊緣溫度逐漸增高，流體區(qū)域靠近溫度較高邊緣的冷通道整體溫度相比于內(nèi)層的冷通道更高，而靠近溫度較低邊緣的最外層的熱通道整體溫度相比于內(nèi)層的熱通道更低，這是由于換熱器靠近邊界的管道和靠近中心區(qū)域的管道相比，只受到一側(cè)相鄰管道換熱效果的影響。為了分析沿著冷、熱通道方向的流動(dòng)換熱特征，選擇最中心的冷、熱通道進(jìn)行分析以便充分考慮相鄰管道的互相影響。取中心的冷、熱通道截面上的平均溫度沿著換熱器流道方向的變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯?、熱通道的溫度變化平穩(wěn)合理。將冷、熱端的出入口溫度同系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示，可以得出仿真計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)工況相比，誤差在5%之內(nèi)。

表4 冷熱兩側(cè)出入口溫度與設(shè)計(jì)工況對(duì)比

圖5 PCHE溫度沿?fù)Q熱器流道方向的變化Fig.5 Temperature elevation along the PCHE channel

通過Dittus-Boelter方程和Gnielinski方程兩種常用的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中心熱通道的Nu沿著換熱器流道方向的變化，結(jié)果如圖6所示。可以看出，兩種方法得到的Nu變化趨勢(shì)是一致的。因?yàn)镚nielinski公式更加適用于所研究的非圓形管道，同時(shí)還考慮了管道粗糙度的影響，因此Gnielinski公式得到的結(jié)果數(shù)值比Dittus-Boelter公式計(jì)算的結(jié)果更大。另外，兩種公式的計(jì)算結(jié)果都表明，在熱通道入口處附近(z=0.9L)Nu出現(xiàn)了快速增長再下降的現(xiàn)象， 根據(jù)Chai等[18]的研究，這是由于熱通道的入口效應(yīng)造成的，由于通道入口處于邊界層的發(fā)展區(qū)，湍動(dòng)能增加有利于傳熱，因此在入口區(qū)域Nu快速上升，之后隨著動(dòng)能的逐漸損失，Nu緩慢下降。

圖6 Nu沿?fù)Q熱器流道方向的變化Fig.6 Nusselt number elevation along the channel length

通過穩(wěn)定運(yùn)行工況的計(jì)算結(jié)果可知，基于開源軟件工具鏈建立的流體-固體耦合傳熱模型可以得到PCHE流體區(qū)域以及固體區(qū)域的溫度和傳熱特性的不均勻分布情況，且穩(wěn)定運(yùn)行得到的結(jié)果符合換熱器的設(shè)計(jì)性能。

3.2 非穩(wěn)定運(yùn)行工況的計(jì)算結(jié)果

在實(shí)際發(fā)電過程中，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行工況不穩(wěn)定的階段，如循環(huán)的啟動(dòng)和停止階段，以及循環(huán)內(nèi)流量發(fā)生變化等等。在這些不穩(wěn)定工況中，冷、熱通道的流量和溫度都有可能隨時(shí)間發(fā)生變化，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部的傳熱和溫度的不穩(wěn)定狀態(tài)。

設(shè)置冷通道流量從108 kg/s線性增加至 150 kg/s 的流量的工況，并在達(dá)到最大流量之后繼續(xù)保持此流量再計(jì)算物理時(shí)間20 s。取中心的冷、熱通道在z=0，z=L/4，z=L/2，z=3L/4，z=L截面上的平均溫度隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 流量快速變化工況下?lián)Q熱器不同截面處溫度隨 時(shí)間的變化Fig.7 Temperature elevation along the PCHE channel in unsteady working condition

可以看出，隨著冷通道流量的增加，冷通道和熱通道內(nèi)的溫度都隨之開始下降，且越靠近冷、熱通道的出口，流體區(qū)域的溫度下降得越快，溫差也越大。在冷通道內(nèi)的流量變化停止后，冷、熱通道內(nèi)的溫度變化也幾乎同時(shí)停止，可見冷通道內(nèi)的流量變化對(duì)于流體區(qū)域的溫度影響是瞬時(shí)的。 冷通道流量變化結(jié)束后，熱通道出口處與之前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)相比，溫度下降了2.6 ℃，而冷通道出口處與之前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)相比，溫度下降了3.7 ℃。

使用Gnielinski方程計(jì)算沿著中心熱通道內(nèi)的Nu變化情況來分析冷通道流量變化對(duì)PCHE中換熱特性的影響。分別計(jì)算了在冷卻水流量開始變化后15、30、45、60 s時(shí)熱通道內(nèi)流體的Nu沿流道方向上的變化，如圖8所示。

圖8 非穩(wěn)態(tài)工況下局部Nu隨時(shí)間變化Fig.8 Nusselt number elevation along the PCHE channel length in unsteady working condition

可以看到，Nu曲線形狀趨勢(shì)相同。隨著冷通道內(nèi)的流量隨時(shí)間增加，熱通道內(nèi)的Nu整體略有降低但變化幅度小于1%，基本可以忽略，因此冷通道內(nèi)的流量大小變化對(duì)于此工況下的PCHE的換熱特性并沒有太大影響。

為了分析非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中熱通道內(nèi)的二氧化碳工質(zhì)是否有偏離超臨界態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)，采用上一章定義的偏離臨界態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)S，對(duì)非穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行分析，所得結(jié)果如圖9所示。在初始狀態(tài)下，全部的二氧化碳都處于超臨界態(tài), 隨著冷通道內(nèi)的流量增大，整體PCHE的溫度下降，熱通道內(nèi)的二氧化碳偏離超臨界態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域從最靠近溫度偏低的邊緣處的熱通道出口處逐漸擴(kuò)大至內(nèi)部管道區(qū)域。

圖9 非穩(wěn)態(tài)工況下二氧化碳脫離超臨界態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)S 隨時(shí)間的變化Fig.9 CO2 emissions from supercritical risk index S elevation by time in unsteady working condition

通過非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的仿真分析結(jié)果可以得出，在冷、熱通道流量波動(dòng)的情況下，由于PCHE內(nèi)部存在溫度分布不均勻的情況，位于最邊緣的熱通道出口附近是溫度最低區(qū)域，如本文中研究的預(yù)冷器，其設(shè)計(jì)運(yùn)行工況本身就接近二氧化碳的超臨界溫度，則非常容易在此區(qū)域出現(xiàn)溫度過低從而導(dǎo)致此處的二氧化碳工質(zhì)偏離超臨界態(tài)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成安全隱患。

4 結(jié)論

通過流體-固體區(qū)域強(qiáng)耦合傳熱方法，采用完全開源的數(shù)值仿真工具鏈，對(duì)sCO2再壓縮布雷頓循環(huán)中的PCHE預(yù)冷器的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，使用開源通用流體力學(xué)軟件Code_Saturne耦合Srythes有限元固體傳熱求解器以及CoolProp熱物理材料庫對(duì)使用sCO2作為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)進(jìn)行數(shù)值模擬是非常適用的。在穩(wěn)定的設(shè)計(jì)工況運(yùn)行條件下，仿真模擬結(jié)果符合給定的設(shè)計(jì)工況。同時(shí)，可以觀察到PCHE內(nèi)部流體區(qū)域以及固體區(qū)域的溫度以及換熱效率的不均勻分布情況。在非穩(wěn)定工況運(yùn)行條件下，即冷通道內(nèi)流量變化的情況下，因?yàn)榱髁孔兓瘜?dǎo)致的冷、熱通道的溫度變化是瞬時(shí)的，冷通道的流量波動(dòng)會(huì)直接造成整個(gè)系統(tǒng)的溫度波動(dòng)，并因此產(chǎn)生可能偏離超臨界態(tài)的二氧化碳流體區(qū)域，尤其是在靠近PCHE邊緣附近以及出口附近的熱通道內(nèi)。由于PCHE預(yù)冷器的出口將會(huì)跟循環(huán)中的主壓縮機(jī)進(jìn)行連接，一旦產(chǎn)生偏離超臨界態(tài)的情況，會(huì)直接對(duì)壓縮機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此需要在設(shè)計(jì)階段考慮到冷、熱通道內(nèi)的流量波動(dòng)以及PCHE內(nèi)部的溫度分布不均勻性，從而保證整個(gè)布雷頓循環(huán)的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全。數(shù)值仿真手段為PCHE的設(shè)計(jì)和運(yùn)維優(yōu)化提供了更加全面的信息，開源仿真工具鏈的驗(yàn)證，為基于開源仿真工具所提供的二次開發(fā)可擴(kuò)展性，在實(shí)際工程應(yīng)用中建立更加復(fù)雜和完整的超臨界二氧化碳循環(huán)數(shù)值模型和以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的機(jī)械設(shè)備的數(shù)字孿生，從而更好地輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)維的設(shè)備全生命周期提供了可能性。