实心点:对应左侧压降坐标轴;空心点:对应右侧出口温度坐标轴图4 系统压力对于水动力学特性曲线的影响

2.3 入口温度对于水动力学多值性的影响

在超临界压力实验条件下,通过改变测试段入口温度,得到不同入口温度下通道内的水动力学特性曲线,如图5所示。

图5 入口温度对于水动力学特性曲线的影响

从图5中可以看出,随着入口温度的增加,负斜率区越来越平缓,水动力学多值性趋势减弱。因此,入口温度越高,越有利于提升系统的水动力学稳定性。同时,入口温度的增加使得单位流体到达负斜率区的起始点所需的热量变少,OFI对应的流量向高质量流量移动,且对应出口流体温度不断升高,接近拟临界温度点(Tpc=288 ℃)。

2.4 热流密度对于水动力学多值性的影响

超临界压力下热流密度对通道内水动力学特性曲线的影响如图6所示,可以看出,随着热流密度的增大,负斜率区越来越陡峭,水动力学多值性趋势增强。所以,降低热流密度有利于系统的水动力学稳定性。同时,热流密度的增大使得流体由更易由液态变为超临界态,OFI对应的质量流量向高质量流量移动。

图6 热流密度对于水动力学特性曲线的影响

2.5 管长对于水动力学多值性的影响

图7展示了不同管长下通道内的水动力学特性曲线,可见在相同的实验参数条件下,随着管长的增加,负斜率区不断变大,也就意味着管长的增加会导致静态不稳定更易发生。这是因为在水动力学特性曲线负斜率区间,流体进入拟临界温度和超临界状态区间,此时流体的物性发生急剧的变化。在相同的热流密度条件下,管长的增加使得通道中工质由液态转变为超临界流体的过渡区间所占的比例增大,也就是管道内物性(尤其是密度)剧烈变化的区间长度增加。因此,管长越长,水动力学特性曲线的负斜率部分越陡峭。

图7 管长对于水动力学特性曲线的影响

2.6 管径对于水动力学多值性的影响

不同管径对于通道内流体的水动力学多值性的影响如图8所示,可以看出,在热流密度相同的情况下,管径越小,水动力学特性曲线的负斜率部分越陡峭,也就意味着水动力学稳定性越差。这是因为在相同工况条件下,管径的减小使得沿径向方向上的内壁面流体温度与主流温度的梯度增加,此时,近壁面流体温度显著高于拟临界温度,而主流温度则低于拟临界温度,如图9所示。此时径向的温度梯度增大导致了径向密度变化幅度和区间都增大,从而小管径通道内的水动力学特性曲线的负斜率部分变得陡峭。同时,小管径对应的测试段加载的热量变少。由于在相同流体入口温度条件下,流体达到拟临界温度附近所需的焓增基本相同,因此在小管径内OFI向低质量流量发展。

实心点:对应左侧压降坐标轴;空心点:对应右侧压降坐标轴图8 管径对于水动力学特性曲线的影响

图9 x/l=0.85时不同管径下Twi和Tb随质量流量的变化

2.7 OFI归一化准则分析

通过对实验数据的分析,发现影响水动力学特性曲线上OFI的主要参数有系统压力、入口温度、热流密度、管长和管径。首先,采用量纲分析得到一个预测OFI的经验关联式;然后,基于实验数据使用多元线性回归方法得到相应的系数值;最终,得到具体的归一化关联式。

基于上述影响因素进行量纲分析,描述OFI的方程可表示为

式中:Q表示加热量,代表热流密度的影响;m表示OFI出现时的质量流量;l和d分别表示管长和管内径;Δhin和Δhout表示入口和出口欠焓值,代表入口温度和压力的影响;ρ表示流体密度。

选择d、Δhin和ρ作为基本参量,通过π定理进行分析,得到4个量纲一参数如下

上述4个量纲一参数可简化为以下3个量纲一参数

式(14)中:St是斯坦顿数,计算式为因此,描述水动力学特性曲线上OFI的公式可表示为

式中:C1、C2和C3是常数。基于实验数据,利用多元线性回归方法,得到水平管内预测OFI的归一化公式为

该公式应用范围为:100

3 结 论

本文通过实验研究了水平圆管内超临界环己烷在不同工况条件下的水动力学过程,得到以下结论。

(1)超临界压力下,流体水动力学特性曲线存在负斜率区,即水动力学多值特性存在。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0302/537.html

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