“清華大學**博士學位論文叢書”（以下簡稱“優博叢書”）精選自2014年以來入選的清華大學校級**博士學位論文（Top 5%）。每篇論文經作者進一步修改、充實並增加導師序言後，以專著形式呈現在讀者面前。“優博叢書”選題範圍涉及自然科學和人文社會科學各主要領域，覆蓋清華大學開設的全部一級學科，代表了清華大學各學科***的博士學位論文的水平，反映了相關領域*新的科研進展，具有較強的前沿性、繫統性和可讀性，是廣大博碩士研究生開題及撰寫學位論文的**參考，也是科研人員快速和繫統了解某一細分領域發展概況、*新進展以及創新思路的有效途徑。

全周 /半周加熱光管/內螺紋管中超臨界流體的換熱研究（清華大學優秀博士學位論文叢書）來自作者的博士學位論文，涉及全周/半周加熱光管/內螺紋管中超臨界流體的對流換熱研究，包括浮升力的影響規律、超臨界流體強制對流換熱機理和內螺紋管改善混合對流換熱的機理；此外，還討論了強物性變化、湍流強化裝置和周向加熱條件之間的作用關繫，提出了傳熱惡化和對流換熱的預測方法。全周 /半周加熱光管/內螺紋管中超臨界流體的換熱研究（清華大學優秀博士學位論文叢書）來自作者的博士學位論文，涉及全周/半周加熱光管/內螺紋管中超臨界流體的對流換熱研究，包括浮升力的影響規律、超臨界流體強制對流換熱機理和內螺紋管改善混合對流換熱的機理；此外，還討論了強物性變化、湍流強化裝置和周向加熱條件之間的作用關繫，提出了傳熱惡化和對流換熱的預測方法。

目錄
第1章引言
1.1課題背景
1.1.1超（超）臨界鍋爐
1.1.2超臨界流體的特點
1.2光管中超臨界流體對流換熱的研究綜述
1.2.1超臨界流體對流換熱的特點和機理
1.2.2超臨界流體對流換熱的預測方法
1.2.3半周加熱光管中超臨界流體的對流換熱
1.3內螺紋管中超臨界流體對流換熱的研究綜述
1.3.1全周加熱內螺紋管中超臨界流體的對流換熱
1.3.2半周加熱內螺紋管中超臨界流體的對流換熱
1.4超臨界流體對流換熱的數值模擬
1.5論文的研究方法和內容
1.5.1研究目標和方法
1.5.2研究內容

第2章不同周向加熱條件下光管的傳熱特性分析
2.1全周加熱垂直上升光管中超臨界水傳熱惡化判據的
分析和優化
2.1.1已有判據的比較和分析
2.1.2新判據的提出和驗證
2.2周向加熱條件對光管傳熱特性的影響
2.2.1數值和物理模型
2.2.2模型敏感性分析及驗證
2.2.3研究工況
2.2.4正常傳熱和傳熱強化
2.2.5傳熱惡化
2.2.6浮升力影響機制分析
2.3本章小結

第3章全周加熱條件下內螺紋管的傳熱特性研究
3.1內螺紋管中超臨界CO2對流換熱的實驗研究方案
3.1.1實驗工質的選擇
3.1.2實驗繫統及實驗段介紹
3.1.3實驗參數的測量
3.1.4實驗操作步驟
3.1.5實驗參數處理及不確定度分析
3.2內螺紋管中超臨界CO2對流換熱實驗結果及討論
3.2.1Bo<10-5
3.2.210-53.2.3Bo>10-4
3.2.4內螺紋管半經驗換熱關聯式
3.3內螺紋管中超臨界流體對流換熱的數值模擬
3.3.1數值和物理模型
3.3.2超臨界CO2
3.3.3超臨界水
3.3.4肋結構對換熱的影響研究
3.4本章小結

第4章內螺紋管中超臨界流體對流換熱的機理分析
4.1內螺紋管強制對流換熱的機理分析
4.2內螺紋管強化混合對流換熱的機理分析
4.3物性變化對內螺紋管換熱特性的影響分析
4.4本章小結第5章結論
5.1本文主要結論
5.2本文主要創新點
5.3未來工作展望

參考文獻在讀期間發表的學術論文與獲得的研究成果目錄
第1章引言
1.1課題背景
1.1.1超（超）臨界鍋爐
1.1.2超臨界流體的特點
1.2光管中超臨界流體對流換熱的研究綜述
1.2.1超臨界流體對流換熱的特點和機理
1.2.2超臨界流體對流換熱的預測方法
1.2.3半周加熱光管中超臨界流體的對流換熱
1.3內螺紋管中超臨界流體對流換熱的研究綜述
1.3.1全周加熱內螺紋管中超臨界流體的對流換熱
1.3.2半周加熱內螺紋管中超臨界流體的對流換熱
1.4超臨界流體對流換熱的數值模擬
1.5論文的研究方法和內容
1.5.1研究目標和方法
1.5.2研究內容

第2章不同周向加熱條件下光管的傳熱特性分析
2.1全周加熱垂直上升光管中超臨界水傳熱惡化判據的
分析和優化
2.1.1已有判據的比較和分析
2.1.2新判據的提出和驗證
2.2周向加熱條件對光管傳熱特性的影響
2.2.1數值和物理模型
2.2.2模型敏感性分析及驗證
2.2.3研究工況
2.2.4正常傳熱和傳熱強化
2.2.5傳熱惡化
2.2.6浮升力影響機制分析
2.3本章小結

第3章全周加熱條件下內螺紋管的傳熱特性研究
3.1內螺紋管中超臨界CO2對流換熱的實驗研究方案
3.1.1實驗工質的選擇
3.1.2實驗繫統及實驗段介紹
3.1.3實驗參數的測量
3.1.4實驗操作步驟
3.1.5實驗參數處理及不確定度分析
3.2內螺紋管中超臨界CO2對流換熱實驗結果及討論
3.2.1Bo<10-5
3.2.210-53.2.3Bo>10-4
3.2.4內螺紋管半經驗換熱關聯式
3.3內螺紋管中超臨界流體對流換熱的數值模擬
3.3.1數值和物理模型
3.3.2超臨界CO2
3.3.3超臨界水
3.3.4肋結構對換熱的影響研究
3.4本章小結

第4章內螺紋管中超臨界流體對流換熱的機理分析
4.1內螺紋管強制對流換熱的機理分析
4.2內螺紋管強化混合對流換熱的機理分析
4.3物性變化對內螺紋管換熱特性的影響分析
4.4本章小結第5章結論
5.1本文主要結論
5.2本文主要創新點
5.3未來工作展望

參考文獻在讀期間發表的學術論文與獲得的研究成果

第1章 引言 全周/半周加熱光管/內螺紋管中超臨界流體的換熱研究第1章引言〖1〗1.1課 題 背 景〖*1〗1.1.1超（超）臨界鍋爐圖1.1亞臨界鍋爐與超臨界鍋爐水冷壁內工質流動方式對比提高蒸汽循環發電效率的有效途徑之一是提高火力發電廠的蒸汽參數。通過提高鍋爐的主蒸汽參數（壓力、溫度），可以改善朗肯循環的效率，從而提高能源利用效率。這一點已經為大量的研究結果和運行經驗所驗證。對於我國來說，由於煤在一次能源結構中占**、燃煤發電在總發電量中占主體，因此大容量的超臨界/超超臨界燃煤機組是提高發電效率、降低污染排放的重要發展方向。自20世紀90年代，我國引進不同容量的超臨界機組及其設計制造技術\\[1\\]，到2014年底，我國已有260餘臺600MW級超臨界機組、40餘臺660MW超超臨界機組、50餘臺1000MW超超臨界機組已建成或在建。作為超臨界火力發電的核心設備之一，超臨界鍋爐的關鍵技術之一是水冷壁的設計。如圖1.1所示，與亞臨界自然循環鍋爐不同，超臨界鍋爐水冷壁中驅動工質向上運動的不再是管進出口的工質密度差，而是入口處的給水泵頭。為了確保水冷壁得到充分冷卻，通常水冷壁管內工質采用較高的質量流速，這在一定程度上導致水動力喪失了亞臨界的自然補償特性，受熱負荷的分布不均會導致管屏內工質逆向分布不均，進一步惡化壁溫偏差現像。
為了維持在寬負荷範圍內高效發電，超臨界機組需要能夠變壓運行。經過長期的探索和實踐檢驗，超臨界鍋爐中水冷壁不得不采用一次上升管，通常有垂直布置和螺旋布置兩種形式。螺旋管圈的*大優點是水冷壁沿周向旋轉上升，依次經過受熱強度高和受熱較弱的區域，有效地減少了單根管總吸熱量的偏差。螺旋管圈的其他優點包括水動力穩定性好、可選用較大管徑以減小管徑偏差對並聯管組水動力特性的影響。但由於水冷壁管螺旋上升，因此流動阻力大，水冷壁弔掛繫統結構復雜，對設計和安裝的要求都比較高\\[2\\]，制造和安裝工程難度和工程量大。受弔掛繫統結構復雜化的限制，螺旋管圈水冷壁鍋爐的容量是有限制的，1000MW被認為是容量的上限\\[3\\]。此外，對於某些爐型，如W火焰鍋爐，采用螺旋管圈會使上下爐膛交接處、爐拱、翼牆等區域的結構實現**困難，故不宜采用。
與螺旋管圈相比，垂直管圈的優勢在於本身結構和弔掛繫統都比較簡單，便於安裝和維修；質量流速低，流動阻力小；灰渣較易脫落，水冷壁積灰結渣量少。垂直管圈的主要缺點就是並聯管間的熱偏差太大，出口工質溫度偏差大，比較嚴重時會引起局部管壁超溫甚至鰭片撕裂、爆管等現像。目前垂直管圈中常用的解決熱偏差的方法有：  水冷壁管入口處設置節流管圈，通過增加局部阻力來調節並聯管內的工質流量分布，使管內流量與吸熱量對應；  上爐膛設置中部混合集箱，對工質進行混合以減小溫差，同時又有壓力平衡的作用；  低質量流速技術。
圖1.2低質量流速垂直管圈的工作原理 以上三種方法中，前兩種屬於熱偏差出現後的一種被動的調整，尤其是水冷壁管入口處設置節流管圈的方法，對於節流管圈的設計、加工精度和安裝精度要求極高，需要豐富的實踐經驗。而低質量流速技術由於具有正流量響應第1章 引言 全周/半周加熱光管/內螺紋管中超臨界流體的換熱研究第1章引言〖1〗1.1課 題 背 景〖*1〗1.1.1超（超）臨界鍋爐圖1.1亞臨界鍋爐與超臨界鍋爐水冷壁內工質流動方式對比提高蒸汽循環發電效率的有效途徑之一是提高火力發電廠的蒸汽參數。通過提高鍋爐的主蒸汽參數（壓力、溫度），可以改善朗肯循環的效率，從而提高能源利用效率。這一點已經為大量的研究結果和運行經驗所驗證。對於我國來說，由於煤在一次能源結構中占**、燃煤發電在總發電量中占主體，因此大容量的超臨界/超超臨界燃煤機組是提高發電效率、降低污染排放的重要發展方向。自20世紀90年代，我國引進不同容量的超臨界機組及其設計制造技術\\[1\\]，到2014年底，我國已有260餘臺600MW級超臨界機組、40餘臺660MW超超臨界機組、50餘臺1000MW超超臨界機組已建成或在建。作為超臨界火力發電的核心設備之一，超臨界鍋爐的關鍵技術之一是水冷壁的設計。如圖1.1所示，與亞臨界自然循環鍋爐不同，超臨界鍋爐水冷壁中驅動工質向上運動的不再是管進出口的工質密度差，而是入口處的給水泵頭。為了確保水冷壁得到充分冷卻，通常水冷壁管內工質采用較高的質量流速，這在一定程度上導致水動力喪失了亞臨界的自然補償特性，受熱負荷的分布不均會導致管屏內工質逆向分布不均，進一步惡化壁溫偏差現像。
為了維持在寬負荷範圍內高效發電，超臨界機組需要能夠變壓運行。經過長期的探索和實踐檢驗，超臨界鍋爐中水冷壁不得不采用一次上升管，通常有垂直布置和螺旋布置兩種形式。螺旋管圈的*大優點是水冷壁沿周向旋轉上升，依次經過受熱強度高和受熱較弱的區域，有效地減少了單根管總吸熱量的偏差。螺旋管圈的其他優點包括水動力穩定性好、可選用較大管徑以減小管徑偏差對並聯管組水動力特性的影響。但由於水冷壁管螺旋上升，因此流動阻力大，水冷壁弔掛繫統結構復雜，對設計和安裝的要求都比較高\\[2\\]，制造和安裝工程難度和工程量大。受弔掛繫統結構復雜化的限制，螺旋管圈水冷壁鍋爐的容量是有限制的，1000MW被認為是容量的上限\\[3\\]。此外，對於某些爐型，如W火焰鍋爐，采用螺旋管圈會使上下爐膛交接處、爐拱、翼牆等區域的結構實現**困難，故不宜采用。
與螺旋管圈相比，垂直管圈的優勢在於本身結構和弔掛繫統都比較簡單，便於安裝和維修；質量流速低，流動阻力小；灰渣較易脫落，水冷壁積灰結渣量少。垂直管圈的主要缺點就是並聯管間的熱偏差太大，出口工質溫度偏差大，比較嚴重時會引起局部管壁超溫甚至鰭片撕裂、爆管等現像。目前垂直管圈中常用的解決熱偏差的方法有：  水冷壁管入口處設置節流管圈，通過增加局部阻力來調節並聯管內的工質流量分布，使管內流量與吸熱量對應；  上爐膛設置中部混合集箱，對工質進行混合以減小溫差，同時又有壓力平衡的作用；  低質量流速技術。
圖1.2低質量流速垂直管圈的工作原理 以上三種方法中，前兩種屬於熱偏差出現後的一種被動的調整，尤其是水冷壁管入口處設置節流管圈的方法，對於節流管圈的設計、加工精度和安裝精度要求極高，需要豐富的實踐經驗。而低質量流速技術由於具有正流量響應特性，因此是對熱偏差的一種主動的調整。低質量流速技術是由西門子公司提出的，其工作原理如圖1.2所示。該技術中水冷壁垂直管屏使用Benson優化內螺紋管，將管屏中的*大質量流速控制在界限質量流速G0（1000kg/(m2·s)左右\\[4\\]）以下，此時Benson管中重位壓降在總壓降中占**作用，垂直管屏中受熱較高的管中重位壓降較低，質量流速增加，出現了類似亞臨界自然循環的正流量響應特性，充分利用了水動力的自補償特性。該技術由於成本低、流阻小、結構和啟動簡單，自2000年**生產運用後已經得到了快速的發展\\[4\\]。但低質量流速技術也有一定的局限性，即界限質量流速G0會隨熱流密度的增加而降低。管屏受熱不均後，並聯管內G0不同，出現不同的流量響應特性，壁溫偏差依然存在。因此，低質量流速技術能改善，但不能**消除壁溫偏差現像。
目前來說，已運行的超臨界垂直管圈鍋爐普遍對熱偏差很敏感，管屏壁溫*大偏差一般可達50~80℃。隨著機組的大容量化，爐內寬度、深度方向的熱偏差會進一步增加。特別地，對於一些特殊的爐型，如超臨界W火焰煤粉爐，由於爐膛寬深比很大，熱負荷偏差、流量偏差引起的溫度偏差會*明顯，*高壁溫偏差高於100℃，已運行的許多超臨界W煤粉爐在運行過程中都出現了水冷壁鰭片撕裂的問題\\[5\\]。對於循環流化床鍋爐，由於爐內的氣固兩相流導致非垂直受熱面存在潛在的磨損風險，故而水冷壁必須采用垂直布置，而一次上升這一要求導致水冷壁管內工質的質量流速難以達到較高的水平。因此，開展超臨界流體在垂直光管、內螺紋管中流動和對流換熱的研究對於超臨界燃煤機組水冷壁的設計具有重要的意義。特性，因此是對熱偏差的一種主動的調整。低質量流速技術是由西門子公司提出的，其工作原理如圖1.2所示。該技術中水冷壁垂直管屏使用Benson優化內螺紋管，將管屏中的*大質量流速控制在界限質量流速G0（1000kg/(m2·s)左右\\[4\\]）以下，此時Benson管中重位壓降在總壓降中占**作用，垂直管屏中受熱較高的管中重位壓降較低，質量流速增加，出現了類似亞臨界自然循環的正流量響應特性，充分利用了水動力的自補償特性。該技術由於成本低、流阻小、結構和啟動簡單，自2000年**生產運用後已經得到了快速的發展\\[4\\]。但低質量流速技術也有一定的局限性，即界限質量流速G0會隨熱流密度的增加而降低。管屏受熱不均後，並聯管內G0不同，出現不同的流量響應特性，壁溫偏差依然存在。因此，低質量流速技術能改善，但不能**消除壁溫偏差現像。
目前來說，已運行的超臨界垂直管圈鍋爐普遍對熱偏差很敏感，管屏壁溫*大偏差一般可達50~80℃。隨著機組的大容量化，爐內寬度、深度方向的熱偏差會進一步增加。特別地，對於一些特殊的爐型，如超臨界W火焰煤粉爐，由於爐膛寬深比很大，熱負荷偏差、流量偏差引起的溫度偏差會*明顯，*高壁溫偏差高於100℃，已運行的許多超臨界W煤粉爐在運行過程中都出現了水冷壁鰭片撕裂的問題\\[5\\]。對於循環流化床鍋爐，由於爐內的氣固兩相流導致非垂直受熱面存在潛在的磨損風險，故而水冷壁必須采用垂直布置，而一次上升這一要求導致水冷壁管內工質的質量流速難以達到較高的水平。因此，開展超臨界流體在垂直光管、內螺紋管中流動和對流換熱的研究對於超臨界燃煤機組水冷壁的設計具有重要的意義。