噴射器內跨臨界CO2的跨音速流動和霧化相變問題研究

《噴射器內跨臨界CO2的跨音速流動和霧化相變問題研究》是依託清華大學，由祝銀海擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：噴射器內跨臨界CO2的跨音速流動和霧化相變問題研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：祝銀海
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

基於噴射器的壓縮/噴射式跨臨界CO2製冷循環的COP在原製冷循環的基礎上有20%的提升。本項目以跨臨界CO2壓縮/噴射式製冷系統中的噴射器為研究對象，研究噴射器內CO2工質在劇烈變物性工況下的跨音速流動與霧化相變問題。用計算流體力學（CFD）方法進行跨臨界CO2工質噴射器內部流動機理研究，捕捉噴射器內跨臨界音速流動下的激波特徵，探索超臨界CO2射流膨脹至亞臨界兩相區過程中的局部相變問題。對跨臨界CO2噴射器進行可視化實驗研究，利用粒子成像測速(PIV)技術和紋影儀觀測和研究跨臨界CO2音速流動下的詳細流場和流型信息。評價噴射器性能對跨臨界CO2壓縮/製冷系統能效比的影響規律。研究結果為揭示跨臨界CO2噴射器工作機理提供理論基礎，對設計高性能跨臨界CO2噴射器及提升壓縮/噴射式跨臨界CO2製冷循環能效比有重要的意義和研究價值。

結題摘要

本項目以噴射器為研究對象，分別利用計算流體力學（CFD）方法和紋影儀實驗手段對噴射器內部流動機理進行數值計算和實驗研究，獲得了噴射器內跨臨界音速流動下的激波特徵，建立了激波波長的理論預測模型，提出一種新型的噴射-壓縮式製冷循環方式，並分析了噴射器性能與系統能效比的影響關係。研究結果對設計高性能跨臨界噴射器有重要的指導意義。  本項目從3個方面開展了研究工作：(1) 跨臨界CO2噴射器的計算流體力學模擬；(2) 跨臨界噴射器的可視化實驗研究；(3) 跨臨界壓縮/噴射式製冷系統實驗研究。主要結果包括： （1）建立了CO2工質在超臨界和亞臨界的完整物性函式，包括密度、比熱、導熱係數、粘性係數、焓、熵、音速等隨狀態的變化關係式。並且編寫和編譯了該物性函式，使得該物性函式能被 CFD計算軟體Fluent直接調用。 （2）對噴射器進行數值建模和CFD仿真。建立了噴射器的三維CFD計算模型，包括邊界條件、離散方法、湍流模型、相變模型、壁面方程等。再通過調用跨臨界CO2實際物性函式，研究了變物性條件下跨臨界CO2噴射器內的音速流動和相變規律。 （3）建立了14個噴射器結構模型，研究了8個主要結構參數對噴射器內的激波及相變的影響規律，並且探討噴射器的結構最佳化方法。 （4）搭建了基於紋影儀的可視化實驗平台，利用紋影儀實驗測量了超音速噴射器內的激波分布特性，分析和研究噴射器內超音速流動過程中的激波特性與噴射器性能的內在影響機理。 （5）建立噴射器內超音速流動的激波波長的理論分析模型，提出了一階簡化計算方法，揭示了激波波長與噴射器結構參數和運行工況之間的內在聯繫，並對理論模型進行了實驗驗證。 （6）研究了一種新的製冷循環：在壓縮製冷循環的基礎上，聯合一個噴射製冷循環，該噴射製冷循環利用壓縮機的排氣廢熱作為驅動熱源。分析了系統中5個主要參數對系統的影響規律。 經過3年的認真工作，本項目達到了預期的成果數量，尤其在發表高水平學術論文上，本項目目前已發表高水平SCI論文4篇（與本項目完全相關，且本項目資助號排第一）。成果為：在國際核心刊物上發表論文4篇，其中被SCI收錄4篇。在重要國際會議上宣讀論文2次，在國內學術會議宣讀論文2次。申請國內發明專利1項，申請國際發明專利1項。