For the investigation of fluid flow in the supercritical state, computational fluid dynamics (CFD) have become increasingly important to gain information that cannot be obtained experimentally. Especially at near-critical pressures, the application of CFD methods is still a challenging task due to the strongly varying thermo-physical properties that complicate the solution process of the Favre-averaged conservation equations. The focus of the present work is on a numerical model (ANSYS FLUENT®) simulating flow and temperature fields of supercritical water jets discharged in a subcritical water bath at near-critical pressures. However, the used turbulence model tended to overestimate the values of the turbulent thermal conductivity near the pseudo-critical point of water. Various approaches based on a variable turbulent Prandtl number are presented to deal with these difficulties. Additional experiments were performed in a high-pressure vessel to record axial temperature profiles of the supercritical water jet and validate the numerical model

 چکیده

برای تحقیق جریان سیال در وضعیت فوق بحرانی، دینامیک سیال محاسباتی (CFD) برای به دست آوردن اطلاعاتی که با آزمایش قابل حصول نیستند، بسیار اهمیت می یابد. بخصوص در فشارهای نیمه بحرانی، کاربرد روش های CFD هنوز یک کار چالش برانگیز است. دلیل آن، تغییر شدید خصوصیات ترموفیزیکی است که فرآیند حل معادلات پایستگی میانگین گیری شده به روش فاور را پیچیده می کند. تحقیق حاضر به یک مدل عددی (ANSYS FLUENT®) می پردازد که میدان های جریان و دمای جت های آبی فوق بحرانی را (که در یک حمام آب زیر مرحله بحرانی در فشارهای تقریبا بحرانی تخلیه انجام می دهند)، شبیه سازی می نماید. با این همه، مدل اختلال (آشفتگی) به کار رفته قرار بود تا مقادیر رسانندگی گرمایی آشفته را در نزدیکی نقطه شبه بحرانی آب، دست بالا تخمین بزند. رویکردهای مختلفی بر پایه یک عدد پرانتل (Prandtl) آشفته متغیر ارائه می شوند تا به این دشواری های بپردازند. آزمایشات دیگری در یک محفظه پرفشار انجام شدند تا پروفایل های دمای محوری جت آبی فوق بحرانی را ثبت کنند و مدل عددی را اعتبارسنجی نمایند.  

-1مقدمه

 پیش زمینه و انگیزه

چند تحقیق تجربی و تئوری در متون وجود دارند که به جت های سیال در زیر آب و تحت شرایط فوق بحرانی می پردازند (بخصوص  در زمینه علم احتراق). بازدهی فرآیندهای احتراق را اغلب می توان با اتمیزاسیون و تجزیه در جت های سیال (مثلا سوخت) در شرایط فشار بالا در اتاقک احتراق افزایش داد. یک راه رایج تحقیق درباره تجزیه جتی در دامنه وسیعی از شرایط ترمودینامیکی، تزریق یک سیال خاص غیرواکنشی (مثلا نیتروژن) در دمای زیربحرانی  یا فوق بحرانی  به درون یک محیط با فشارهای مختلف از زیربحرانی  تا فوق بحرانی  است. دما در اتاقک انبساط را می توان با مقادیر زیربحرانی یا فوق بحرانی تنظیم نمود (1-5). در تجزیه جتی تحت فشار زیربحرانی، لیگامنت ها و قطرات در طی تلاشی جت  تشکیل می شوند. با نزدیک شدن به نقطه بحرانی  ، کشش سطحی و گرمای نهان ناپدید شده و از این رو تحول جت متاثر از اختلاط آشفته است (6). برای تعیین مشخصات تجربی تجزیه جت در وضعیت فوق بحرانی، روش های رامان و سایه گرافی همواره به کار برده می شوند (2)…