微尺度條件下近臨界流體動力學與傳熱問題研究

《微尺度條件下近臨界流體動力學與傳熱問題研究》是依託北京大學，由張信榮擔任負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微尺度條件下近臨界流體動力學與傳熱問題研究
• 項目負責人：張信榮
• 項目類別：面上項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

微尺度條件下近臨界流體動力學與傳熱問題對新型微換熱器、微混合器、微合成器以及微感測器等系統的設計、運行至關重要。本項目採用實驗研究、熱力學理論分析與數值模擬相結合的方法，研究單個微通道內近臨界流體的流動、傳熱特性和機理；研究多尺度條件下微通道幾何設計對近臨界流體流動與傳熱的影響及作用機理；研究微尺度通道內近臨界流體熱邊界層對流穩定性的演化與發展規律，探明微通道表面形貌、加熱方式、溫度、壓力等條件對近臨界流體動力學和傳熱穩定性的作用規律及內在機制；研究微通道內熱-機械擾動及其在各種狀態下的作用機理；研究微通道內近臨界流體熱混合機理並探討相關鬆弛過程；搭建高精度雷射干涉測量試驗平台，定量獲得近臨界流場和溫度場特性。通過本項目的研究將對微尺度條件下近臨界流體流動的特徵與熱量傳輸在本質上有進一步深入的認識，為提高其在新型微換熱器、微混合器、微合成器以及微感測器等系統上的套用水平打下堅實的基礎。

結題摘要

近年來，微尺度條件下的化工、醫藥、傳熱與能源利用等系統的研究己經成為極具潛力和挑戰性的課題。近臨界CO2作為一種天然替代性環保工質，在微尺度條件下己證明具有良好的性能。本項目針對近臨界流體在微尺度通道內流動開展了系列研究。設計和搭建了精密的相移干涉可視化測量平台，實現了近臨界流體開放流道非接觸式觀測。在豎直扁平的微通道內開展了一系列從亞臨界到近臨界的實驗。同時，發展了數值計算方法針對近臨界CO2在微通道內流動穩定性和換熱特性進行了詳細探究。研究發現，在100到200微米的通道中，相應壁面流體溫度的瞬態擾動和“坍塌”以及渦旋流動現象。在相對較大的微通道，發現流場只在下側壁面附近產生類似熱羽過程的對流情景。在渦流動起始階段主流區域臨界流體溫度隨著時間迅速均勻升高，發生了“臨界加速”現象和特殊的冷卻過程。與溫度坍塌現象相對應，不同的尺寸下發生了局部的換熱強化過程。理論分析表明，這種流動能夠以較小的能量耗散，來支撐較強的混合過程。本研究中發現近臨界流體渦流特徵時間參數和混合參數與一般流體的不同，近臨界流體遵循指數演化規律，而傳統流體則是線性的。進一步的理論分析表明，近臨界CO2在微通道對流起始過程中會產生熱邊界層快速熱膨脹，從而引起主流的不穩定發生。這種臨界穩定性演化被歸結於一種新的開爾文—亥姆霍茲不穩定性。臨界熱邊界層中熱—機械過程代替了重力波擾動，成為不穩定性的新的擾動來源。這種微尺度瞬態強化混合的過程希望能夠為相關的近臨界流體特性與微尺度工藝過程研究提供理論基礎和有益的設計參考。