天然工质超临界CO2密闭回路内自然对流流动与传热问题研究

利用超临界CO2自然对流流体动力学循环系统是新兴的可再生式能源有效利用及废热有效回收利用技术之一。其中超临界CO2密闭回路内自然对流的流体动力学与传热特性、内在机理的认识对系统设计、运行至关重要。本项目采用实验研究与数值模拟的方法，研究单通道封闭回路、复杂密闭管网回路内超临界CO2自然对流条件下的流动与传热规律，掌握热边界条件、系统几何形状、倾角、温度、压力等对流动稳定性和传热性能的影响，并且探明其内在的作用机理。通过本课题的研究将对超临界CO2密闭回路内自然对流的流动与传热特性在本质上有进一步的认识，为可再生式能源有效利用等工程领域的应用和新能源系统的优化设计运行打下坚实的基础。

超临界CO2自然对流流体动力学循环系统在可再生能源利用系统、新型的节能减排设备、高中低温传热及冷却系统当中都有良好的应用前景。其中超临界CO2密闭回路内自然对流流体动力学与传热特性、物理机理的认识和相关运行规律的掌握对系统设计和运行具有重要意义。本项目采用数值模拟与实验研究相结合的方法，首先以格子波尔兹曼方法为基础发展了超临界流体非线性物性和极限物理条件的计算方法，开发了相应程序；研究发现了超临界CO2在矩形自然对流回路中不同加热强度和管径条件下的系统稳定性转折条件；研究了持续变化的加热条件下超临界回路独特的流量稳定性，为相应系统保护与事故分析提供参考；研究确认了热源热汇位置变化时最优的稳定性设计，针对稳定性、循环流量和传热情况三者的优化提出了工程建议。本项目成功设计、搭建并测试了可适应20MPa压力的超临界试验台，获得了超临界实验操作和系统维护基础性经验，测试并获得了大量与实验数据；在不同CO2流体初始灌充量和运行压力实验中，发现并解释了系统不稳定性的来源及其对初始条件的依赖性；在广泛的温度、压力、倾角、热流、冷却温度等条件下研究了超临界系统稳定条件，获得了加热和冷却的传热参数，可为相关研究设计提供直接参考。本项目的研究将增加对超临界CO2自然对流的特性与物理认识，同时在数值方法和超临界试验台搭建、运行方面的开发性工作也将为进一步的超临界科学问题研究和相关工程领域的新型系统设计提供借鉴。