超臨界二元混合流體熱質(zhì)傳遞機理及應(yīng)用研究.pdf

1、二元混合流體同純流體一樣也存在單一的臨界點，且介于兩種組分分別對應(yīng)的臨界參數(shù)之間，而且在臨界點附近熱物理性質(zhì)也會出現(xiàn)劇烈變化?，F(xiàn)今工業(yè)中的混合流體出現(xiàn)或維持在超臨界狀態(tài)的場合也越來越多，尤其是在空分、能源、低溫等領(lǐng)域。因此對超臨界二元混合流體中熱質(zhì)傳遞機理的研究能夠為相關(guān)工業(yè)過程提供理論基礎(chǔ)，例如空分流程中的產(chǎn)品純度優(yōu)化、天然氣/石油氣液化過程傳熱強化、混合工質(zhì)低溫制冷機的性能提升以及超臨界流體化工萃取優(yōu)化等。超臨界二元混合流體在熱擾動

2、下不僅僅如同超臨界純流體一樣存在活塞效應(yīng)(Piston effect)，還會產(chǎn)生在混合流體中特有的Soret效應(yīng)和Dufour效應(yīng)。超臨界流體中的活塞效應(yīng)是當流體中存在熱擾動時局部出現(xiàn)劇烈膨脹而產(chǎn)生熱聲波壓縮流體的一種特殊傳熱方式。Soret效應(yīng)是在溫度梯度的驅(qū)動下，混合流體中出現(xiàn)的組分相對移動的傳質(zhì)現(xiàn)象，而由Soret效應(yīng)引起的能量傳遞即為 Dufour效應(yīng)。本文將主要針對超臨界二元混合流體在的這幾種特殊效應(yīng)持續(xù)作用下內(nèi)部在不同時間尺

3、度產(chǎn)生的熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象進行深入的理論和實驗研究。
　　本文對超臨界二元混合流體系統(tǒng)建立了完整的數(shù)學物理模型，在完全考慮各種熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了控制方程組，尤其對能量守恒方程進行了完整全面的表述。一維模型的數(shù)值模擬研究表明對一個初始處于絕對平衡狀態(tài)的超臨界二元混合流體施加熱擾動后，在聲學時間尺度下內(nèi)部首先產(chǎn)生的活塞效應(yīng)迅速均勻地加熱流體主流，使得流體在兩個邊界上同時出現(xiàn)溫度梯度。但溫度邊界層極薄使得因此而產(chǎn)生在其內(nèi)部的Sore

4、t效應(yīng)和Dufour效應(yīng)無法體現(xiàn)出作用。而當達到了擴散時間尺度，逐漸增厚的溫度邊界層使得Soret效應(yīng)和Dufour效應(yīng)的作用逐漸凸顯。Soret效應(yīng)中組分在溫度梯度驅(qū)動下的移動方向由熱擴散比 kT的正負號決定，而其實際擴散方向由當?shù)氐臐舛忍荻群蜏囟忍荻鹊奶荻缺?Gradient ratio)γ決定。對于既定的邊界條件和混合流體存在平衡梯度比γb=|-kT/T|。兩個邊界附近同時出現(xiàn)傳質(zhì)方向相反的Soret效應(yīng)使得整個流場中建立起組分對

5、流，由此引起的 Dufour效應(yīng)加速了流體內(nèi)部的傳熱過程。而在不同的混合流體中，這三種熱物理現(xiàn)象的作用機理與相互影響的方式均相同，不同之處僅在于作用幅度的大小以及熱聲波在流體中傳遞的快慢。所以在常規(guī)流體中也同樣存在這些現(xiàn)象，只是由于熱物性上特點使得作用效果極其微弱而可以忽略。
　　對于處在重力場中的超臨界二元混合流體，底部持續(xù)的加熱會促使自然對流的產(chǎn)生。本文對密閉空間內(nèi)超臨界氮/氬二元混合流體(0.9/0.1)的自然對流進行了二維

6、數(shù)值計算，并同時采用激光全息干涉的方法進行了可視化實驗研究。實驗與數(shù)值研究結(jié)果均表明在持續(xù)的底部加熱作用下，底部熱邊界層逐漸增厚，且邊界層中的密度持續(xù)減小；當溫度邊界層增厚至一定的程度，由邊界層與主流之間的密度差所產(chǎn)生的浮升力打破了熱邊界層的穩(wěn)定而形成熱羽。數(shù)值計算中由于活塞效應(yīng)的存在，頂部等溫邊界處也逐漸產(chǎn)生熱羽。超臨界二元混合流體中的自然對流因Soret效應(yīng)和Dufour效應(yīng)的存在而比超臨界純流體中發(fā)展更快，流動更加強烈。隨后在數(shù)值

7、計算結(jié)果中熱羽逐漸發(fā)展形成流體空間大范圍的自然對流，其流態(tài)在側(cè)壁面的影響下具有沿壁面上升中心下降的特征。而在實驗中因超臨界流體中存在很明顯的溫度分層(ATG)和密度分層，在較小加熱量的情況下自然對流只能維持在一定的高度范圍內(nèi)，且腔體頂部也不能產(chǎn)生熱羽。在自然對流穩(wěn)定區(qū)域由于強烈的摻混作用使得流動區(qū)域內(nèi)除速度之外的各種參數(shù)基本不存在梯度。實驗中觀察到了超臨界二元混合流體中活塞效應(yīng)的存在，并通過將其實驗結(jié)果與在相同無量綱對比溫度(ε=0.0

8、26)下得到的純氮的實驗結(jié)果對比得到了Dufour效應(yīng)的實際作用效果，證實了Soret效應(yīng)的存在。
　　超臨界流體中的自然對流形成之后，在對流時間尺度下逐漸發(fā)展形成穩(wěn)定的自然對流。本文研究采用實驗研究和數(shù)值計算相結(jié)合的方法對長徑比為27的豎直圓管內(nèi)超臨界二元混合流體的穩(wěn)態(tài)自然對流傳熱特性進行了研究。實驗研究表明超臨界流體的自然對流傳熱要明顯強于氣態(tài)流體。超臨界氦的自然對流傳熱特性指數(shù)關(guān)系(Scaling law)在很大的Ra范圍內(nèi)

9、(109~1017)均保持為Nu∝ CRa1/3。當流體為超臨界氮/氬二元混合流體時，在本文研究的Ra范圍(5.0×1010~2.0×1014)內(nèi)，因自然對流較強烈而使得Soret效應(yīng)和Dufour效應(yīng)無法體現(xiàn)出作用效果。此時的超臨界混合流體可以視作一種擬純流體(Pseudo-pure fluid)。再者，根據(jù)對流特性的變化可以分為三個流動區(qū)域：層流熱邊界層區(qū)域(Laminar thermal boundary layer regime

10、)、過渡區(qū)域(Transition regime)和極限區(qū)域(Ultimate regime)，它們之間的兩個臨界Ra分別為Racrit1≈4.0×1013和Racrit2≈1.14×1014。在前后兩個區(qū)域中自然對流的特性指數(shù)關(guān)系分別為Nu=0.135Ra0.22和 Nu=0.0027Ra1/3。當自然對流經(jīng)過近臨界溫度區(qū)域時，流體熱物性的奇異變化使得Nu隨Ra的變化趨勢中會產(chǎn)生回折(Inflection)現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象會發(fā)生在任

11、何超臨界流體中，包括混合流體與純流體。若回折現(xiàn)象又是發(fā)生在過渡區(qū)域，便導(dǎo)致了過渡分叉現(xiàn)象的產(chǎn)生，即一個Ra會對應(yīng)兩個Nu。此外，通過計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較驗證獲得了較準確的超臨界流體在豎直長管內(nèi)自然對流傳熱性能數(shù)值計算模型。
　　若上述自然對流物理模型中頂部的冷源能使管內(nèi)流體溫度降到超臨界以下，該結(jié)構(gòu)便形成了低溫熱虹吸管。本文對該轉(zhuǎn)變過程，即低溫熱虹吸管的超臨界啟動過程進行了研究。隨后繼續(xù)通過實驗研究了氣液相變工作狀態(tài)下低溫熱虹

12、吸管的傳熱特性，其傳熱熱阻都是隨著傳熱量的增大先減小后趨于一個常數(shù)，并在達到傳熱極限之后急劇增大。以氮/氬二元混合流體作為工質(zhì)成功將低溫熱虹吸管的氣液相變工作溫區(qū)拓展到了64~150 K。但是因換熱面與二元混合工質(zhì)之間濃度邊界層(Concentration boundary layer)的存在，正常工作狀態(tài)下其傳熱性能比純工質(zhì)時稍惡化。根據(jù)低溫熱虹吸管中的不同工作狀態(tài)，采用了合適的經(jīng)驗公式對不同情況下的傳熱熱阻進行了計算。此外，在低溫熱