工程熱物理所超臨界流體湍流傳熱特性研究獲進展

　　超臨界流體在工業中具有廣泛的應用，比如超臨界水冷反應堆、超臨界CO2布雷頓循環、超臨界壓縮空氣儲能等。超臨界流體具有獨特的物性規律：當溫度低于擬臨界溫度時類似于液體，當溫度高于擬臨界溫度時類似于氣體，而在擬臨界點附近其物性會發生劇烈的變化。該特性使得超臨界流體具有“傳熱惡化”、“傳熱強化”等特殊的傳熱規律，對系統的性能具有重要影響，因此超臨界流體的傳熱特性一直被研究者所重視。

　　中國科學院工程熱物理研究所儲能研發中心對定壁溫條件下超臨界流體豎直圓管內向上湍流流動的傳熱特性開展了研究。該研究采用數值模擬方法，在圓柱型坐標系下使用SST k-ω湍流模型。研究結果表明（見圖1），超臨界流體在加熱段內可以分成3個階段——進口段、跨臨界段和過臨界段。熱流密度在進口段迅速下降；在跨臨界段下降，同時伴隨振蕩現象；在過臨界段繼續下降，但是振蕩現象消失。熱流密度振蕩發生條件為：壁面溫度高于擬臨界溫度，而主流溫度低于擬臨界溫度。熱流密度振蕩是由于流體在擬臨界點附近物性發生劇烈變化引起的。流體在擬臨界點附近受熱會產生浮升力效應，浮升力效應進而引起管內流體周期性對流換熱變化，最終導致壁面熱流密度振蕩現象的發生。由于流體和壁面之間的溫差逐漸減小，壁面熱流密度振蕩幅度沿軸線方向逐漸減弱。

　　將數值實驗結果與經典經驗關聯式Dittus-Bolter公式和Bishop公式進行對比（見圖2），結果發現Dittus-Bolter公式和Bishop公式都不能準確預測超臨界流體振蕩現象。這是因為Dittus-Bolter公式沒有考慮超臨界流體受到的浮升力作用，而Bishop公式雖然考慮了熱物性的影響，但是不能準確估計過程中速度場的作用，因而此二式無法對定壁溫條件進行準確預測。

　　此外，開展了不同工況參數對超臨界流體換熱的影響規律的研究，結果表明質量流量、壁面溫度和操作壓力的上升提高了對流換熱系數，同時消減了對流換熱系數的振蕩幅度。

　　該項目受到國家自然基金（51606186, U1407205）、國家重點基礎研究發展計劃（“973”計劃，2015CB251302），北京市科技計劃項目（D161100004616001）和中科院前沿科學重點研發計劃（QYZDB-SSW-JSC023）的支持，相關研究成果已經在International Journal of Heat and Mass Transfer上發表(INT J HEAT MASS TRAN 128 (2019) 875-884)。

圖1 定壁溫條件下熱流密度隨主流溫度變化情況（工質R134a）

圖2 對流換熱系數模擬結果與經驗公式的對比