文献综述
1 前言
煤炭是当今火力发电最重要的燃料，但是煤在空气中直接燃烧不可避免地形成 NOx、SOx、CO2 等污染物，减排系统复杂且成本较高。 煤的超临界水气化制氢是一种高效清洁的煤炭利用技术，煤在超临界水（温度﹥374.3 ℃，压力﹥22.05 MPa）中转化成 H2 和 CO2，其中氮、硫等污染物作为固体残留，可直接排出气化炉，并在液相中分离 CO2 获得清洁高热值的 H2。 但 H2 的储存与运输技术以及气化炉出口超临界水能量回收率较低等问题制约了该技术的大规模推广应用。 本文基于超临界水中煤的气化制氢， 提出气化产生的 H2 直接发生氧化反应放热，加热蒸气进入透平做功发电的新循环系统，并探究其能量转化机理。
本文研究主题为超临界流体的流动传热特性。以煤炭超临界水气化制氢和H2O/CO2混合工质热力发电多联产为研究背景。煤炭在超临界水环境下气化产生超临界H2/ H2O/CO2混合工质，H2被分离提纯后成为高经济价值的化工产品，超临界H2O/CO2混合工质进入新型混合工质汽轮机做功发电。相比传统燃煤发电，是对煤炭化学能更加清洁高效的转化与综合梯级利用。超临界纯水的流动传热特性对于传统燃煤发电系统中水冷壁等受热面的设计有重要意义，类比可知，超临界H2O/CO2混合工质的流动传热特性对多联产系统同样重要，但是，超临界混合工质流动传热特性的研究很匮乏。数值模拟是研究超临界工质流动传热特性的重要手段。作为研究的第一步，本文开展超临界航空煤油混合工质流动传热特性的数值模拟。
2 国内外研究现状
Hauptmann 和 Malhotra[6]在模拟超临界压力 CO2在竖直管道内流动换热问题时，采用 k minus;ε 湍流模型进行模拟。并把模拟而得的速度场和温度场与Wood 和 Smith 的实验结果作了比较，对比发现，在热流密度较低时，实验结果和模拟结果吻合较好。同时还给出了沿流动方向的速度和剪切力分布。模拟的结果显示，在较高热流密度时，截面最大速度并不是在管心处，而是出现在壁面附近，速度对比显示，在离入口区域较远的区域，模拟的速度场与实验测量得到的速度场相似，但在定量上模拟值和测量值差别较大。
Bellmore 和 Reid[7]在研究超临界压力流动管内对流换数值模拟中，提出了 BR 混合长度湍流模型。他们认为因为受热而在轴向和径向出现的密度变化，对流体的湍流输运机理有比较大的影响，因此在湍流输运方程中加入密度波动，对湍流模型进行了修正。利用修正的湍流模型模拟流体流动和对流换热的结果显示，所构模型，在质量流量较大时，模拟结果与实验结果符合较好，并模拟出了换热恶化时，管内截面平均速度的“M”型畸形分布。
Lee 和 Howell[8]对模拟了超临界压力流体在竖直圆管内的流动和换热，选用的湍流模型为 BR 模型，模拟结果显示，BR 模型的模拟结果与实验值符合较好，所用混合长度模型中，考虑物性变化的模型比标准模型计算出的湍流扩散率高了 10%。Mikielewicz[9]分别选择了 8 种湍流模型模拟了超临界压力流体管内的湍流对流换热，模拟结果与实验测量值对比后发现，所用两方程湍流模型均没有通用性，即没有湍流模型可以准确地模拟出不同条件下超临界流体对流换热。对比结果还发现，当在浮升力影响不大时，Launder和 Sharma 提出的低 Re 数湍流模型，可以比较好地模拟出流体在管内的对流换热。 在近壁面区，k-ε 模型的处理方法主要包括壁面函数法和低雷诺数修正法。壁面函数法可以利用较粗的网格（y gt;30），实现较高的计算效率并给出较为精确的计算结果。但是对于物性变化剧烈的超临界压力流体，壁面函数法不能精确捕捉到近壁面区复杂的流动与换热。而对近壁面区的准确模拟正是计算超临界压力流体流动换热的关键，因此对近壁面区湍流边界层必须采用高解析度的低雷诺数修正法（y lt;1）进行模拟，即低雷诺数（ LRN）湍流模型。另外，壁面函数法是基于均匀剪切力假设的，而超临界压力流体流动中浮升力或流动加速可能会影响壁面附近流体的剪切力，因此也局限了壁面函数法的使用。
Craft 等提出的解析壁面函数法（AWF）可以使用较粗糙的网格（y gt;30）对近壁面区的湍流特征进行合理和准确的描述，其模拟结果甚至与传统低雷诺数湍流模型一样，该方法将计算时间减少了一到两个数量级，极大地提高了计算效率，。Cheng 等、Yang 等及 Sharabi 等分别采用 CFX、STAR-CD 或 FLUENT 等商业软件模拟了超临界压力的流动换热。Sharabi 等还模拟了超临界压力水在管内或管束中瞬态流动的不稳定性问题。
随着计算技术的快速发生，计算机性能不断提高，直接数值模拟（DNS）也被应用模拟超临界压力流体管内换热。Bae[9] 等采用 DNS 方法，模拟了 8 MPa 压力下的超临界压力 CO2在通道内的流动换热，模拟通道包括竖直圆管和环形通道，模拟结果与 Shehata 和 Mc Eligot[11]的实验测量结果符合较好。
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