国产CFD软件VirtualFlow：超临界流动传热模拟仿真，精准把握热物性变化
国产CFD软件VirtualFlow：超临界流动传热模拟仿真，精准把握热物性变化
超临界流体因其独特的物理性质，在能源、化工、航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，超临界流体的流动传热问题复杂，需要借助先进的模拟仿真工具来实现对其流动传热特性的精准分析。本文将介绍VirtualFlow软件在超临界流动传热模拟中的应用，并通过具体算例展示其强大的功能。
图 1 超临界流体PT图
VirtualFlow中的变物性表达方法
在超临界流动传热模拟中，准确处理流体的变物性是关键。VirtualFlow软件提供了多种方法来实现对超临界流体热物性参数的准确表达，以下是几种主要方法：
直接插值方法
在状态点足够密集的情况下，直接插值方法可以实现高精度的物性参数计算。VirtualFlow支持从美国国家标准与技术研究院（NIST）数据库中直接查找数据，并通过单线性插值或双线性插值方法获取所需的物性参数。此外，用户还可以通过curve_fit方法，采用dat文件读入方式实现单线性插值。
图 2 dat文件格式
状态方程
对于超临界物性参数，VirtualFlow还内置了多种状态方程。通过对状态方程的求解，可以直接得到该状态下的物性参数，满足对一般超临界物性的设置需求。
图 3 VirtualFlow中设置状态方程
多项式拟合方法
VirtualFlow还支持通过自定义函数（UDF）实现多项式拟合方法，用于计算超临界流体的热物性参数。采用UDF实现物性参数的多项式拟合可采用如下UDF。多项式拟合的难点在于对拟临界区域的准确表述，可采用分区拟合的方法，实现对拟临界区域的准确表述。
图 4 VirtualFlow中UDF模版选择
VirtualFlow的NIST数据库测试
测试说明
为了验证VirtualFlow中NIST物性功能模块的准确性和稳定性，我们在ubuntu环境下进行了测试。测试算例如下：
测试算例
模型说明：200mm的二维轴对称通道，上侧壁面给定温度。工况特性：速度入口：4m/s入口流体温度：323.15K壁面温度：303.15K压力环境：8.1MPa变物性参数：密度、粘性系数、定压比热容、导热系数、热容比。计算收敛性：各残差均收敛至1e-6。
图 5 终端显示收敛残差
结果数据：
图 6 管内压力场
图 7 管内温度场
图 8 管内密度场
图 9 管内粘性系数
图 10 管内导热系数
沿程数据对比：
测试结论
通过对比VirtualFlow计算结果与NIST物性库在相同P-T下的查询值，验证了NIST物性功能模块的准确性。流场中的物性数据与NIST物性库一致，求解稳定性良好。
超临界水计算
几何模型
图 11管束模型
管束尺寸结构外径为8mm，长度为600mm。在数值建模中，不考虑固体导热，只关注超临界水的流动传热特性。
网格划分
VirtualFlow采用笛卡尔网格IST技术，需要将各管束及壳体几何建立出来，在软件中设置为固体域，通过IST技术识别固体边界，完成相关计算。在网格划分时，对流动周围进行加密处理，网格采用100100200的方式进行生成，网格总量为200万，具体网格划分结果如下图所示：
图 12横截面网格划分
图 13轴向网格划分
棒束通道模型商软网格总量为547200，模型如下图所示：
图 14 光管模型商软网格划分结果
物性参数
超临界工况水的物性参数库采用NIST数据，通过输入压力、温度范围等参数可自动提取数据，并可在软件中使用插值方法，对提取出的数据进行处理，实现密度、粘度、热导率、比热容等参数的变物性处理。
边界处理
图 15 管束模型边界条件示意图
边界条件如下所示。入口：速度入口，速度为1.5988m/s；温度为623.15K。出口：压力出口，压力为0Pa。管束壁面：热流壁面，壁面热流为500kW/m2。壳体壁面：绝热壁面。
结果分析
分别采用VirtualFlow及商业软件对棒束通道模型进行数值模拟并对比分析，以验证VirtualFlow物性参数、物理模型等在处理超临界工况水管束流动传热计算上的适用性。
图 16 横截面（Z截面）温度分布（左：商业软件，右：VirtualFlow）
上图分别给出沿轴向中间Z截面商业软件及VirtualFlow计算温度分布云图，由图中可知，两款软件云图中均为管束附近温度较高，尤其是边子通道以及角子通道中温度最高，由于壳体壁面采用绝热处理，角子通道内温度更高一些。
图 17 纵截面（X截面）温度分布（左：商业软件，右：VirtualFlow）
上图分别给出了商业软件计算及VirtualFlow计算纵截面（X截面）温度分布云图，由图中可知，两款软件计算结果中，随着流体从下方流入上方流出的过程中，不断从管束吸收热量，温度均不断增大，两款软件计算温度分布相似。
图 18轴向平均温度变化曲线
为了定性分析两款软件计算结果的区别，上图给出了沿轴向平均温度变化曲线，由图中可知，两款软件沿轴向平均温度分布趋势相似，偏差较小，最大偏差为0.36%。
小结
采用VirtualFlow及商业软件对棒束通道模型进行对比分析，结果表明VirtualFlow中采用NIST_prop插值方法能够获得符合物理规律的数值结果，两款软件计算结果偏差较小，具体偏差在1%以内。
总结
通过上述测试和对比分析，VirtualFlow软件在超临界流动传热模拟中的表现令人满意。VirtualFlow提供了多种方法来准确表达超临界流体的热物性参数，包括直接插值方法、状态方程和多项式拟合方法。这些方法能够有效处理超临界流体在拟临界区域的复杂物性变化，确保模拟结果的准确性和可靠性。在实际应用中，VirtualFlow通过调用NIST物性库，能够便捷地实现超临界流体热物性的高精度插值计算。通过与商业软件软件的对比分析，VirtualFlow在超临界水流动传热模拟中的结果与商业软件高度一致，最大偏差仅为0.36%，验证了VirtualFlow在处理超临界工况下的流动传热问题时的适用性和准确性。
综上所述，VirtualFlow软件凭借其强大的物性处理能力和高效的数值计算性能，能够为超临界流动传热模拟提供可靠的解决方案，适用于能源、化工、航空航天等领域的复杂流动传热问题研究。