超臨界壓力流體管內(nèi)對流傳熱及自激熱聲振蕩的研究

超臨界壓力流體管內(nèi)流動與傳熱的研究具有重要學(xué)術(shù)價值和工程應(yīng)用價值，圍繞這一問題，本項目的主要研究內(nèi)容和研究成果如下：（1）通過引入合理假設(shè)，進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，將邊界層理論推廣至超臨界壓力流體的變物性流動，提出了能考慮浮力效應(yīng)和加速效應(yīng)、適用于管內(nèi)超臨界壓力流體混合對流傳熱分析與計算的理論數(shù)學(xué)模型，并分別針對積分邊界層數(shù)學(xué)模型和微分邊界層數(shù)學(xué)模型開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值方法和計算程序。通過與不同學(xué)者的實驗和數(shù)值研究結(jié)果進行比較，表明該計算模型高效準(zhǔn)確，并且拓展了基于常物性流動傳統(tǒng)k-ε兩方程湍流模型的適用范圍。（2）通過數(shù)學(xué)建模，對管內(nèi)超臨界流體的熱聲傳熱現(xiàn)象進行了初步理論研究，從物性參數(shù)隨溫度變化的角度，對相應(yīng)的現(xiàn)象機理進行了定性分析。（3）在MATLAB工作環(huán)境下，將超臨界壓力流體的物性計算和傳熱計算與計算數(shù)據(jù)的處理和可視化分析耦合成一個有機整體，進而可高效準(zhǔn)確快捷地對各種超臨界流體管內(nèi)對流傳熱關(guān)聯(lián)式的預(yù)測性能進行評估，并分析各種影響因素對傳熱的影響規(guī)律。 此外，在本項目的資助下，立足跨臨界循環(huán)裝置中的螺旋管應(yīng)用背景，對螺旋管內(nèi)單相和兩相流動的摩擦阻力計算進行了研究：（1）通過對已有螺旋管內(nèi)單相湍流摩擦阻力計算公式和實驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，提出了適用于計算粗糙螺旋管內(nèi)整個湍流區(qū)單相摩擦系數(shù)的可靠經(jīng)驗公式。（2）提出一種新的無量綱參數(shù)，將氣液兩相流摩擦壓降計算與該參數(shù)聯(lián)系起來，建立了一種新的計算模型，通過與不同學(xué)者的螺旋管兩相流摩擦壓降實驗數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)式進行比較分析，表明基于該計算模型建立的兩相流壓降關(guān)聯(lián)式具有更好的適用性。 項目執(zhí)行期間，發(fā)表論文6篇，申請發(fā)明專利1項，培養(yǎng)碩士研究生1名。 2100433B

超臨界壓力流體的傳熱具有特殊性，其根本原因是流體的熱物理性質(zhì)在擬臨界區(qū)內(nèi)會發(fā)生劇烈變化。在一定的熱力條件下，超臨界壓力流體傳熱過程中還會產(chǎn)生由熱聲效應(yīng)引起的壓力振蕩。變物性傳熱和熱聲振蕩這兩種本質(zhì)上十分復(fù)雜的物理現(xiàn)象可以耦合在一起，研究這一問題既有挑戰(zhàn)性又極有意義。本項目以超臨界壓力流體在圓管內(nèi)的對流傳熱和在Rijke管內(nèi)的自激熱聲振蕩為研究對象，通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗，重點揭示管內(nèi)超臨界壓力流體對流傳熱中浮力的影響機理、Rijke管內(nèi)超臨界壓力流體自激熱聲振蕩的形成機理、以及Rijke型傳熱管內(nèi)超臨界壓力流體熱聲振蕩和對流傳熱的耦合機理。本項目的研究成果可以為相關(guān)超臨界壓力流體高新技術(shù)的研究與開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，并且可促進傳熱理論和熱聲理論的進一步發(fā)展，具有重要的工程應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)價值。

對流傳熱沸騰傳熱

液體和高于其飽和溫度的壁面接觸時就會產(chǎn)生沸騰，此時，壁面向流體放熱的現(xiàn)象稱為沸騰傳熱。對液體加熱時，在液體內(nèi)部伴有由液相變成汽相而產(chǎn)生氣泡的進程稱為沸騰。

沸騰產(chǎn)生的方法：將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面處受熱沸騰，稱為大容器沸騰。液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。

對流傳熱冷凝傳熱

當(dāng)飽和蒸氣與低于飽和溫度的壁面相接觸時，蒸氣將放出潛熱，并冷凝成液體。

蒸汽冷凝的方式：膜狀冷凝（film-type condensation）和滴狀冷凝 (dropwise condensation)。

若冷凝液能潤濕壁面并能形成一層完整的液滴，稱膜狀冷凝由于表面張力的作用，冷凝在壁面上形成許多液滴最終會形成膜狀冷凝。

納米機械振蕩器（Nano Mechanical Oscillator）是納米尺度電子機械系統(tǒng)中極具代表性的典型器件之一，它能夠產(chǎn)生極高的運行頻率,并擁有非凡的靈敏度。有別于現(xiàn)有的工作原理及激勵方式，本項目將研究一種新概念型的納米機械振蕩器- - 納米熱聲機械振蕩器，系借助于納米尺度管道外的加熱結(jié)構(gòu)對管內(nèi)封裝氣體實施局部加熱，利用封裝氣體與納米尺度管道之間的熱聲效應(yīng)（熱聲功轉(zhuǎn)換），以激發(fā)封裝氣體穩(wěn)定且高頻的熱聲振蕩并通過薄膜或其他裝置輸出相應(yīng)的振蕩力。并深入研究由該新技術(shù)引申出的基礎(chǔ)流動、熱學(xué)及能量轉(zhuǎn)換問題，如納米尺度管道內(nèi)封裝氣體的基本的流動與傳熱現(xiàn)象，納米尺度氣體產(chǎn)生熱聲效應(yīng)的基本規(guī)律。而探索納米熱聲機械振蕩器的工作性能是本項目研究的根本目的。明晰這種納米熱聲機械振蕩器的基礎(chǔ)流動、熱量傳輸及能量轉(zhuǎn)換機制問題，可促成納米機械振蕩器領(lǐng)域的研究突破，從而將納米尺度電子機械器件的研究不斷推向深入。