水的高精度热物性计算程序

陈健华++黄若涛++苏夏

摘要：水的热物性作为必不可少的基础数据，广泛应用在核电厂设计、仿真、调试、运行等各个阶段。水热物性的高精度、快速计算关系到核电厂运行的可靠性和经济性。本文基于水和水蒸气最新的物性计算方法IAPWS-95，开发了以温度、压力和焓为输入变量的计算方法，基于迭代法开发了水密度的计算程序。同时还开发了水导热系数和粘度的计算方法，并通过图形用户界面实现，方便用户使用。程序计算精度与IAPWS-95的计算精度相当。其中，粘度和导热系数的计算偏差小于0.9%，压力、焓、熵的计算偏差小于0.005%，比热和声速的计算偏差小于0.1%。

关键词：热物性；高精度；程序

中图分类号：O642 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0040-03

1 研究背景

水的热物性作为必不可少的基础数据，广泛应用在核电厂设计、仿真、调试、运行等各个阶段。水热物性的高精度、快速计算直接关系到核电厂运行的可靠性和经济性。特别是对于热工水力的设计，优化，标定，实时监控及仿真运行，需要水热物性高精度的快速计算方法。

本文基于IAPWS-95的计算方法，开发了具有自主知识产权的水热物性计算程序，以提高水热物性的计算精度和速度。同时，还开发了水粘度及导热系数的计算程序，以满足核电厂传热计算分析的要求。此外，程序具有友好的图形界面，后续进行功能扩展也十分方便。

2 水的热物性计算方程

IAPWS-95方程以亥姆霍兹自由能f为基准方程，具体形式如式（1-3）所示。

（1）

（2）

（3）

IAPWS-95基准方程（1-3）以温度和密度为输入变量，共含有64项。其中为对比密度，为对比温度。其表达式如式（4-5）所示。方程的适用范围为：273.15 K ≤ T ≤ 1073.15 K，p ≤ 100MPa；1073.15 K ≤ T ≤ 2273.15 K，p ≤ 10MPa。

（4）

（5）

对于其他参数，如压力、焓、熵、比热及声速等，由基准方程导出，具体形式分别如式（6-10）所示。其中、对或的导数以下标形式表示。

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

粘度的计算方程如（11-13）所示：

（11）

（12）

（13）

导热系数的计算方程如（14-17）所示：

（14）

（15）

（16）

（17）

以上方程均以温度和密度为输入变量。若已知温度、压力或焓，则需要先求得密度，再进行计算，但IAPWS-95并没有给出密度的计算公式。同时，IAPWS-95中的计算方程还需要求解多阶导数，使用并不方便[1]。

为此，需要根据式（2-6），通过迭代法计算密度。为了满足不同的输入变量要求，还需要建立以温度和压力，温度和焓，压力和焓为输入变量的计算方法。同时，为方便维护及用户使用，需要将计算方法通过程序实现，进行封装，并開发友好的人机界面。

3 反推方程及程序开发

IAPWS-95给出的方程均以温度和密度作为输入变量，实际使用中，往往还需要根据温度和压力，温度和焓，压力和焓来计算水的物性参数，为此，本文基于IAPWS-95，反推出了以温度和压力，温度和焓，压力和焓为输入变量的计算子程序，共48个子程序，可计算饱和态以及非饱和态下，水的各种热物性参数。下文以已知压力和温度，求密度为例，说明程序的具体结构[2]。程序的结构图1所示。

友好的图形用户界面是应用程序的基本交互入口，为了方便用户使用。本文基于JAVA语言编制了水热物性的计算程序，进行了集成封装，并开发了图形用户界面，如图2所示。

界面分为饱和态和非饱和态两个计算区。在饱和态计算区，用户可以根据需要，选择不同的输入变量，如压力、温度或比焓。在非饱和态计算区，用户需要输入两个变量，如压力和温度，压力和比焓，温度和比焓。

4 程序适用范围及计算精度

程序的适用范围与IAPWS-95一致，为273.15 K≤T≤1073.15 K，p≤100MPa；1073.15 K≤T≤2273.15 K，p≤10MPa。选取不同的温度和压力点，利用本程序进行计算，与IAPWS-95的比较结果如表1-表6所示。

从表1-表6，可以看出：程序计算结果与IAPWS-95吻合较好。除导热系数计算偏差相对较大外，其他热物性参数的计算偏差普遍在十万分之五以内。

5 结语

本文基于水和水蒸气最新的物性计算方法IAPWS-95，开发了以温度、压力和焓为输入变量的计算方法，基于迭代法开发了水密度的计算程序，同时还开发了水导热系数和粘度的计算方法，并通过图形用户界面实现，方便用户使用。程序具有自主知识产权，计算的精度较高，温度、压力、比焓、比熵的偏差均小于0.005%，比热和声速的计算偏差小于0.1%，粘度和导热系数的计算偏差也在1%以内，满足IAPWS的要求。此外，程序通过图形界面实现，更方便用户使用及后续的功能扩展。

参考文献

[1]M.L.Huber，R.A.Perkins.New International Formulation for the Viscosity of H2O[J].J.Phys.Chem.Ref.Data，2009，38（2）：101-125.

[2]ASME Steam Tables， Fifth Edition[M].1983.