博客分享|先进的真实气体模型
基于美国国家标准与技术协会(NIST) 的Refprop程序的计算通常被认为是目前最精确的热流体模型。这些数据在许多应用程序中被广泛使用。
Refprop的公式中嵌入了几种不同的模型。最重要的是关于压力-温度-密度关系的Benedict-Webb-Rubin状态方程。
这个方程是这样的:
这显然比相应的三次方方程的表述方法要复杂的多(见上篇文章《基于三次方方程的模型相态变化》)。由于需要对这个已经很复杂的方程进行各种积分和求导,因此其他方程会更加复杂。
Refprop被认为是唯一有足够精度来预测临界点附近流体性质的方法。下图取自Refprop,左侧的图显示了临界点附近工质温度与熵的关系曲线;右侧的图显示了临界点附近工质的压缩因子与压力的关系曲线。可以看到临界点附近的流体性质呈现高度非线性,且该变化非常剧烈。因此它们的预测极富挑战性。
在实际工程中,流体工况通常很少在临界点附近。大多数流体的临界点处于很高的压力和温度下,往往非常难以处理。然而,充分利用临界点附近流体性质的循环正在积极发展中。特别是二氧化碳,因为它的临界点处于一个相当低的温度下,所以引起了很多关注(超临界CO2工质的应用)。
尽管Refprop有以上优势,但当用户使用它的时候还有以下两个重要的问题需要注意:
-
最重要的问题是Refprop的计算速度很慢。对于CFD求解过程来说,其在求解中可能需要对所谓状态方程(EOS)的热力学程序进行数百万甚至数十亿次调用。如此密集的计算Refprop会占用大量时间。部分文献显示,当直接调用Refprop计算时,CFD运行时间会增加50倍。大多数程序采用基于美国国家标准与技术协会(NIST)派生数据的插值法来解决这一问题。
-
另外,当超出Refprop工况范围时,其计算并不友好。如果一个程序试图计算超出Refprop工况限制范围的数据时,Refprop将不会回应。对于编程而言,这意味着可怕的NaN(not-a-number)。这种特点即可认为是一种优势(在有效范围之外不做答复,确保不提供错误信息);但同时也有着一定局限性。很多求解程序会要求在需要的应用工况的基础上进一步拓展工况范围来完成迭代。而如果这些迭代中有任何调用错误(例如超出Refprop工况范围),就会导致求解过程提前结束(即没有得到需要的求解结果)。即便如此,我们认为这种拓展工况范围来完成迭代的思路也是正确的(虽然求解稳定后,求解器调用的工况范围会窄的多)。
CONCEPTS NREC BLOG
Mark R. Anderson|供稿
Mark R. Anderson,Concepts NREC首席技术官
宋威|译
何道贵|校
王娜欣|编辑
自1956年诞生以来,Concepts NREC就立足于叶轮机械设计领域,以其深厚的技术底蕴与不断创新的精神,推出了一系列集创新、品质和性能于一体的解决方案。正是这样的坚守和专注,为我们打造了无数改变世界的杰出产品与理念。无论是为清洁高效的再生能源和发电技术提供支持,还是助力航空航天事业迈向更高峰,我们始终走在时代的前沿,引领可持续发展。进一步了解Concepts NREC的精彩世界,敬请访问www.conceptsnrec.com。
软件 / 工程 / 硬件 / 培训