超临界压力流体管内对流传热及自激热声振荡的研究

The peculiarity of the heat transfer to the supercritical pressure fluid is primarily attributed to the great variation in the thermal physical properties of the fluid in the pseudo-critical region. Thermoacoustic pressure oscillations can also happen during the heat transfer to the supercritical pressure fluid under certain conditions. It would be challengeable and innovative to investigate the thermoacoustic oscillations self-excited in connection with heat transfer to a flow of the supercritical pressure fluid in tubes. Based on theory analysis, numerical simulation, and experiment study, the characteristics and mechanism of the buoyancy effect in the convective heat transfer to the supercritical pressure fluid in round tubes, the characteristics and mechanism of the self-excited thermoacoustic oscillations to the supercritical pressure fluid in the Rijke tubes, and the coupling mechanism between the self-excited thermoacoustic oscillations and the convective heat transfer to the supercritical pressure fluid in the Rijke type heat transfer tubes, will be revealed. The results of the project are of important engineering and academic significance, which can afford scientific basis for the research and development of new supercritical pressure fluid technologies and accelerate the theory of heat transfer and thermo-acoustic phenomena.

超临界压力流体的传热具有特殊性，其根本原因是流体的热物理性质在拟临界区内会发生剧烈变化。在一定的热力条件下，超临界压力流体传热过程中还会产生由热声效应引起的压力振荡。变物性传热和热声振荡这两种本质上十分复杂的物理现象可以耦合在一起，研究这一问题既有挑战性又极有意义。本项目以超临界压力流体在圆管内的对流传热和在Rijke管内的自激热声振荡为研究对象，通过理论分析、数值模拟和实验，重点揭示管内超临界压力流体对流传热中浮力的影响机理、Rijke管内超临界压力流体自激热声振荡的形成机理、以及Rijke型传热管内超临界压力流体热声振荡和对流传热的耦合机理。本项目的研究成果可以为相关超临界压力流体高新技术的研究与开发提供科学依据，并且可促进传热理论和热声理论的进一步发展，具有重要的工程应用价值和学术价值。

超临界压力流体管内流动与传热的研究具有重要学术价值和工程应用价值，围绕这一问题，本项目的主要研究内容和研究成果如下：（1）通过引入合理假设，进行数学推导，将边界层理论推广至超临界压力流体的变物性流动，提出了能考虑浮力效应和加速效应、适用于管内超临界压力流体混合对流传热分析与计算的理论数学模型，并分别针对积分边界层数学模型和微分边界层数学模型开发了相应的数值方法和计算程序。通过与不同学者的实验和数值研究结果进行比较，表明该计算模型高效准确，并且拓展了基于常物性流动传统k-ε两方程湍流模型的适用范围。（2）通过数学建模，对管内超临界流体的热声传热现象进行了初步理论研究，从物性参数随温度变化的角度，对相应的现象机理进行了定性分析。（3）在MATLAB工作环境下，将超临界压力流体的物性计算和传热计算与计算数据的处理和可视化分析耦合成一个有机整体，进而可高效准确快捷地对各种超临界流体管内对流传热关联式的预测性能进行评估，并分析各种影响因素对传热的影响规律。. 此外，在本项目的资助下，立足跨临界循环装置中的螺旋管应用背景，对螺旋管内单相和两相流动的摩擦阻力计算进行了研究：（1）通过对已有螺旋管内单相湍流摩擦阻力计算公式和实验数据进行综合分析，提出了适用于计算粗糙螺旋管内整个湍流区单相摩擦系数的可靠经验公式。（2）提出一种新的无量纲参数，将气液两相流摩擦压降计算与该参数联系起来，建立了一种新的计算模型，通过与不同学者的螺旋管两相流摩擦压降实验数据和关联式进行比较分析，表明基于该计算模型建立的两相流压降关联式具有更好的适用性。. 项目执行期间，发表论文6篇，申请发明专利1项，培养硕士研究生1名。