《含潤滑油超臨界CO2管內冷卻換熱的機理研究》是依託清華大學，由趙陳儒擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：含潤滑油超臨界CO2管內冷卻換熱的機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：趙陳儒
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
含潤滑油的超臨界CO2管內冷卻換熱是CO2自然工質套用中重要的基礎性問題。在CO2跨臨界循環系統中，從壓縮機泄漏的潤滑油與CO2工質混合對氣體冷卻器的換熱性能產生顯著影響，其影響特性、規律和機理還需進一步研究。本項目擬針對含潤滑油的超臨界CO2管內冷卻換熱過程開展實驗、模擬和理論研究，圍繞潤滑油的混入對工質熱物性、流場結構兩方面的影響，通過實驗獲得局部對流換熱特性，結合可視化研究，從巨觀上對超臨界CO2/潤滑油混合物熱物性、流型特徵對局部對流換熱的影響規律進行理論分析；發展考慮混合物熱物性變化和流型特徵的數值模擬方法，從微觀上揭示潤滑油液滴、油膜對換熱的影響機理；基於巨觀實驗數據和微觀機理分析，建立含潤滑油的超臨界CO2管內冷卻換熱的半經驗理論模型。研究成果不僅為CO2跨臨界製冷/熱泵循環的設計和最佳化提供理論指導和科學依據，在兩組分無相變（擬）兩相流動換熱研究領域也具有重要的學術價值。
結題摘要
含潤滑油的超臨界CO2管內冷卻流動和換熱是CO2自然工質套用中重要的基礎性問題，並且受到劇烈變物性、浮升力和流動加速效應影響異常複雜。本課題的研究對於CO2跨臨界製冷/熱泵循環的設計和最佳化，以及CO2在核能及其他能源領域套用有重要意義。主要研究成果如下：1、建立超臨界CO2/POE油均勻單相流體管內流動換熱模型，以及超臨界CO2/PAG油兩相流體半經驗理論模型，可用於定量計算潤滑油對超臨界CO2工質流動阻力和對流換熱係數的影響，為相關部件設計和最佳化提供依據。2、對超臨界CO2管內冷卻換熱實驗研究表明，受物性劇烈變化的影響，其流經細圓管被冷卻局部對流換熱熱流密度及努塞爾數沿程變化顯著。進口雷諾數越大，熱流密度越大，努塞爾數越高。3、通過數值計算與理論分析評價湍流模型對超臨界CO2換熱模擬的適用性及效果，針對湍動能生成率、湍流普朗特數、阻尼函式對模擬結果影響分析表明，低雷諾數湍流模型後續改進應考慮選擇合適的阻尼函式參數（湍流雷諾數Ret或無量綱壁面距離y+）以及合適的函式形式，以準確反映受浮升力影響導致局部流場變化對湍動能的影響，為湍流模型後續改進提供指導。4、對流道尺度及雷諾數對超臨界CO2對流換熱影響研究表明，熱加速影響對於小尺度流道影響顯著。在直徑較大流道中，浮升力對流動傳熱影響較為顯著。雷諾數對超臨界CO2換熱影響主要體現在對於浮升力影響不同。雷諾數較低時，浮升力強化換熱主要機理為，強浮升力導致截面速度出現顯著“M”型分布，反向剪下力較強產生較大的湍動能，使得傳熱強化。5、建立液滴在主流中運動模型，考慮液滴受到自身重力、流體浮力、流動曳力、附加質量力、馬格努斯升力和薩夫曼升力對其運動的影響。該模型可用於研究液滴在三維流場中運動，如潤滑油液滴在超臨界CO2主流中運動以及對傳熱影響的研究。本項目研究成果目前已發表期刊論文4篇，會議論文3篇，其中SCI論文3篇，EI論文4篇。全部成果中本項目均為第一標註。培養博士生1名（在讀），培養碩士生1名（已畢業）。
