超临界压力流体在多孔介质内对流换热研究进展

超临界压力流体在多孔介质内的流动换热问题在动力工程、化学工程、航天航空等领域的应用非常广泛,它是超临界CO2气冷堆、太阳能热发电系统、超临界压力流体对高温壁面的发汗冷却等工程设计优化的理论基础。分别从实验研究和数值模拟两个方面,详细阐述了多孔介质内超临界压力流体流动换热的研究进展,指出了准临界温度附近强烈物性变化、多孔结构迂曲流动通道、浮升力等因素对换热通道局部对流换热性能的影响规律是深入研究的关键问题。另外由于高温高压实验难度大、数据处理方法较复杂,多孔介质内超临界压力流体与固体骨架之间的内部对流换热系数实验研究非常少,致使局部非热平衡模型在多孔介质内超临界压力流体流动换热数值模拟的应用受到限制,因此同时加强超临界压力流体在多孔介质内流动传热的局部对流换热性能和内部对流换热性能研究,对于多孔介质结构传热性能评价和工业应用关键设备的设计优化具有指导意义。

超临界压力下竖直圆管内正癸烷对流换热不稳定性实验

以超临界压力正癸烷为工质,在内径2mm的竖直圆管内进行了不同工况条件下的流动与换热不稳定性实验研究。实验发现两种原理的不稳定性现象。转捩型是由于流动状态由层流向湍流转变引起,多为随机的小幅震荡,约在Re=5000左右出现;物性型由准临界温度附近剧烈变化物性所致,具有较大振幅和固定周期,约8~15s。增强系统稳定性的方法主要包括提高进口流体温度、升高压力或者采用向下流动方式。实验还发现在振荡区间内存在稳定区间现象。

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用,对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究,分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律,提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明:高转速条件下(500r/min以上),浮升力主要由离心力产生且处于强化区,增强对流换热;流动加速主要由压降产生,削弱对流换热;浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大,共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍,约为静止的2~4倍。

超临界流体水平流动换热中浮升力效应分析与判据评价

为了准确判断浮升力对换热模型精度的影响,收集整理了多种超临界流体(水、CO_(2)和R125等)水平流动换热的实验数据,对不同浮升力影响判断准则进行了评价,并提出了对浮升力判别式展开修正应遵循的原则。结果表明:目前被广泛认为适应性最好的判别式Gr_(q)/Gr_(th)仍存在拟气区表现效果不佳、拟液区与拟气区数值无一致性、其峰值对应的主流焓值与壁温差峰值对应的主流焓值无相关性等局限性;壁温差峰值处流体焓值也是衡量管内浮升力影响程度的重要因素。

超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内对流换热实验研究

采用超临界压力碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却技术是超声速燃烧冲压发动机的一种重要热防护技术。本文以工程碳氢燃料为工质,在内径2 mm的竖直圆管内进行了不同流向、流量、压力、热流密度条件下的对流换热实验研究。结果表明,在较高进口Re数条件下,相同热流密度时,向上流动和向下流动工况的壁温分布没有明显差别;在较低进口Re条件下,向上流动工况的局部壁温远高于对应向下流动工况,发生传热恶化。研究表明该碳氢燃料的临界Bo*数判据为3×10^(-7)。拟合得到适用于该碳氢燃料的对流换热关联式。

超临界压力RP-3起始加热段传热恶化数值研究

使用开源流体动力学程序库OpenFOAM对竖直圆管内超临界压力RP-3对流传热进行数值模拟,研究重点为起始加热段的传热恶化现象。本文选择k-ε-v^2-f和k-ωSST两种低Re数湍流模型进行计算并与实验数据进行对比,讨论了两种模型对于高壁面热流条件下传热恶化现象的预测能力.通过对流场及温度场的分析对起始加热段传热恶化现象给出机理解释,最后考察了变物性及浮升力的影响。结果表明:k-ωSST模型无法模拟传热恶化;k-ε-v^2-f模型能够定性描述起始加热段内壁温的迅速升高。由流体密度变化及重力引起的浮升力作用是导致起始加热段传热恶化的重要原因。

以CO_2为工质的热泵系统与中深层地热采暖技术

在我国北方城镇地区,采暖能耗在建筑能耗中占比最大,使得每到秋冬季节北方地区就深陷"霾伏"。提高用能效率和利用可再生能源是节能减排的两条途径。以CO2为工质的热泵系统是一种以自然工质为制冷剂的节能设备。本课题组从理论和实验两个角度对综合利用太阳能、空气能和地热能的CO2热泵在制冷、采暖以及制取热水方面的性能进行了研究。结果显示在制冷以及采暖应用方面,虽然CO2热泵的制冷系数和制热系数难以与传统制冷剂竞争,但是CO2热泵系统可以在更低的温度下工作,此外,如果采取将采暖和提供热水结合起来的分段供热和梯级用能设计,可有效提高CO2热泵系统的用能效率;CO2热泵在制取热水方面具有独一无二的优势,既可获得较传统制冷剂更高的热泵系数,还可制取传统热泵热水器难以企及的高温热水,并且在更低的温度下也可以正常工作。本文对中深层干热型采暖技术进行了初步的数值模拟和理论分析,认为在注入、产出井保温设计良好,地上供热体系管理完善的情况下,该技术具有一定的经济性。为了解决跨临界CO2/R134a热泵系统气体冷却器的设计和开发,我们对含油和不含油的超临界压力CO2/R134a在被冷却条件下在管内的流动和换热情况进行了多年系统的研究,本文简单介绍了研究结果并给出了摩擦压降和换热计算准则关联式。

Dependence of Reaction Rate Constants on Density in Supercritical Fluids

A new method,which correlates rate constants of chemical reactions and density or pressure in supercritical fluids,was developed.Based on the transition state theory and thermodynamic principles, the rate constant can be reasonably correlated with the density of the supercritical fluid,and a correlation equation was obtained. Coupled with the equation of state (EOS) of a supercritical solvent,the effect of pressure on reaction rate constant could be represented.Two typical systems were used to test this method.The result indicates that this method is suitable for dilute supercritical fluid solutions.