超临界压力流体管内对流传热及自激热声振荡的研究

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。 2100433B

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。

对流传热沸腾传热

液体和高于其饱和温度的壁面接触时就会产生沸腾，此时，壁面向流体放热的现象称为沸腾传热。对液体加热时，在液体内部伴有由液相变成汽相而产生气泡的进程称为沸腾。

沸腾产生的方法：将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称为大容器沸腾。液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。

对流传热冷凝传热

当饱和蒸气与低于饱和温度的壁面相接触时，蒸气将放出潜热，并冷凝成液体。

蒸汽冷凝的方式：膜状冷凝（film-type condensation）和滴状冷凝 (dropwise condensation)。

若冷凝液能润湿壁面并能形成一层完整的液滴，称膜状冷凝由于表面张力的作用，冷凝在壁面上形成许多液滴最终会形成膜状冷凝。

纳米机械振荡器（Nano Mechanical Oscillator）是纳米尺度电子机械系统中极具代表性的典型器件之一，它能够产生极高的运行频率,并拥有非凡的灵敏度。有别于现有的工作原理及激励方式，本项目将研究一种新概念型的纳米机械振荡器- - 纳米热声机械振荡器，系借助于纳米尺度管道外的加热结构对管内封装气体实施局部加热，利用封装气体与纳米尺度管道之间的热声效应（热声功转换），以激发封装气体稳定且高频的热声振荡并通过薄膜或其他装置输出相应的振荡力。并深入研究由该新技术引申出的基础流动、热学及能量转换问题，如纳米尺度管道内封装气体的基本的流动与传热现象，纳米尺度气体产生热声效应的基本规律。而探索纳米热声机械振荡器的工作性能是本项目研究的根本目的。明晰这种纳米热声机械振荡器的基础流动、热量传输及能量转换机制问题，可促成纳米机械振荡器领域的研究突破，从而将纳米尺度电子机械器件的研究不断推向深入。