超临界流体技术在能源,化工等领域有着广泛的应用。超临界流体的流动、传热研究对其技术的高效应用具有重要意义。当温度跨越拟临界点时,超临界流体物性会产生剧烈的变化,其与非线性湍流随机运动强烈耦合,导致流动传热特性变得非常复杂,其中伴随的传热恶化现象严重威胁设备的安全性。由于超临界条件下的实验测量手段的限制,传统的实验方法很难研究其中的复杂过程和机理。而基于传统雷诺平均(RANS)的传统CFD方法除不能获得详细的湍流场特征之外,还缺乏变物性条件下的湍流模型和湍流热通量模型,导致计算结果误差较大。直接数值模拟(DNS)方法,不需要任何模型,可以精确模拟湍流流动和传热过程。不仅能够深入分析超临界流体湍流换热过程的复杂机理,还可以获得大量详细的湍流流动及传热数据,为建立超临界条件下的湍流换热模型提供基础。因此,本论文基于DNS方法,发展超临界流体湍流换热DNS并行计算程序,数值模拟超临界水在圆管通道内的湍流流动及传热过程,研究超临界流体热对流中复杂湍流换热机理。本文首先基于Fortran语言、MPI/OPM混合并行方法,开发了超临界流体湍流换热的DNS并行计算程序。程序基于有限差分法,通过时空交错网格对动量与标量方程进行离散化处理,且动量方程和标量方程采用不同的离散格式和阶数,其中动量方程的离散阶数分别有二和四阶;标量方程的离散格式有二阶的QUICK格式以及三阶和五阶的WENO格式等。第三章开展强加热空气在圆管内的湍流流动传热过程DNS模拟,并与详细的实验数据进行比较,验证程序对变密度湍流场计算的精度和可靠性。结果表明本文的计算数据与实验符合很好。同时对空气热对流中的湍流再层流化过程进行了分析,发现强加热导致的气体膨胀加速会导致湍流不断衰减,进而引起对流传热恶化。进一步的分析表明,湍流衰减主要是由于近壁面高温低速流体发射和低温高速流体扫略的相干结构减弱所导致。第四章开展不同超临界压力下流体的湍流换热机理研究。选取P0=23MPα和P0=25MPα,开展了加热圆管内超临界水的湍流换热DNS模拟。研究结果表明,相比于常物性热对流,超临界流体在热对流过程中无量纲摩擦系数和换热系数(努塞尔数)都显著下降。当超临界压力更接近拟临界压力Ppc=22MPα时,物性脉动更剧烈,导致湍流衰减更显著,无量纲摩擦系数和换热系数下降也更明显。通过对摩擦系数与努塞尔数的FIK分解发现,摩擦系数Cf与努塞尔数Nu的下降主要是由于湍流衰减,导致湍流贡献减少引起,并且随着压力更接近临界压力,湍流贡献减少越显著。进一步研究还发现,在超临界流体湍流热对流中,物性脉动变化非常剧烈,比如密度脉动方差(?),比热脉动方差(?),导致了与传统流体湍流换热的不同。在超临界流体的湍流热对流中,密度脉动相关项ρ’u”v”与平均密度相关项-ρu”v“数量级相当,在湍流流动及换热中有重要作用。剧烈的物性脉动也使得经典的壁面湍流平均速度和平均温度尺度律不再适用。第五章开展不同加热条件下超临界流体的湍流换热特性研究。研究发现在高热流密度下,加速参数Kυ增大到1.5 × 10-6附近时,流动开始从湍流向层流态过渡。在湍流态阶段,由于壁面切应力减小,壁面摩擦系数下降;之后由于层流态的出现,壁面切应力与粘度增加,导致摩擦系数上升。其中,负的湍流应力产生项逐渐增加导致湍流应力下降,进而湍动能的衰减,湍流换热减弱,努塞尔数的下降。第六章开展浮力对超临界流体湍流换热的影响机理研究。通过研究不同浮力条件下上升加热圆管内超临界水湍流换热,发现弱浮力条件导致超临界流体传热恶化,而强浮力条件会导致换热增强。随着浮力的进一步增强,超临界流体的壁面摩擦系数也逐渐增加,努塞尔数增加,湍流换热的能力增强。这主要是因为浮力的间接效应使得速度分布出现M型速度分布,导致湍动能产生,湍动能在速度梯度较大的区域增加,改善了湍流的产生,强化了换热;另一方面,湍动能的浮力产生项也随着浮力增大而增大,进一步强化了湍流换热。通过对比DNS与基于湍流模型的RANS结果,发现RANS计算中存在湍动能及湍动能产生等被严重低估、湍流普朗特数模型偏差较大、缺少浮力产生项模化方法等问题。第七章开展流动雷诺数对超临界流体湍流换热的影响分析。发现了雷诺数增加导致湍流显著增加,高温流体与低温流体对流增强,最终导致湍流核心区域的平均焓上升。主要原因是,雷诺数的增加导致湍动能产生与湍流应力产生进一步增强,因此湍流强度进一步增加。雷诺数导致湍流强度的增加主要体现在热端跨临界区域,而冷端由于远离跨临界区域,湍流强度变化较小。当雷诺数增加时,传统的速度与温度尺度律偏差也显著增大。综上所述,本文采用DNS方法对超临界流体的湍流热对流过程进行精细的数值模拟,获得大量详实而精确的平均及瞬时流场和温度场数据。在此基础上,对超临界湍流热对流中由于物性剧烈变化引起的复杂湍流流动及换热机理进行深入分析和研究,为建立适用于超临界流体流动及传热分析的工程计算模型提供基础条件。