近临界混合流体热质传递中的热物理现象及相互作用机理研究

It is very important to investigate the piston effect, Soret effect and decompsition phenomenon and their interaction mechanisms to reach a deep understanding of the heat and mass transport mechanisms of near-critical mixture fluid and to widen its application. From the interdisciplines of the engineering thermophysics, stastical physics and refrigeration and cryogenics, with the aid of the experimental investigation, theoretical and numerical analyses, the laser holographic interferemeter will be used to detect the piston effect of the near-critical N2-Ar mixture fluid in a small-scale experimental cell. By measuring the fluid concentration of the near-critical N2-Ar mixture fluid, the Soret effect can be characterized experimentally and the interaction mechanism between the piston effect and Soret effect can be understood from the numerical analysis; the decomposition phenomenon and natural convection of the near-critical N2-Ar mixture fluid can be experimentally investigated by using the laser holographic interferemeter and theoretically by using numerical analysis. The research results can be very instructive to deepen the understanding of the heat and mass transport phenomena and mechanisms of the near-critical mixture fluid and can provide fundamental data for its further application; furthermore, it can add the new knowledge to the discipline of the engineering thermophysics.

对近临界混合流体的活塞效应、Soret效应及相分离现象和其相互作用机理的研究对深入理解近临界混合流体的热质传递现象和机理及其进一步应用都具有重要的意义。本研究将从工程热物理、统计物理及制冷与低温工程等交叉学科的角度出发，结合实验研究、理论分析和数值计算，对小型密闭腔体中的近临界氮氩混合流体的活塞效应进行详细的研究，结合激光干涉可视化测量获得近临界混合流体活塞效应的热物理特征；通过对组分浓度分布的测量获得对近临界混合流体Soret效应的描述，并结合数值计算分析得出活塞效应和Soret效应的相互作用机理；通过激光干涉可视化测量对近临界混合流体的相分离现象和自然对流现象进行实验研究，综合考虑活塞效应和Soret效应的影响对相分离现象和自然对流现象进行理论分析和数值计算。通过本研究可进一步深化对近临界混合流体热质传递现象和机理的认识，为其应用提供基础数据；同时也可促进工程热物理学科同其他学科的交叉

对近临界混合流体的活塞效应、Soret效应和Dufour效应及其相互作用机理的研究对深入理解近临界混合流体的热质传递现象和机理及其进一步应用都具有重要的意义。本研究从传热传质及制冷与低温工程等交叉学科的角度出发，结合实验研究、理论分析和数值计算，对近临界混合流体的热质传递现象和机理进行了深入研究。针对超临界混合流体体系建立了完整的数学物理模型，在完整考虑了各种热质传递作用的基础上推导出了热物理过程和现象的控制方程组，在一维至三维的空间中进行了理论分析和数值计算，获得了在不同时间尺度上活塞效应、Soret效应和Dufour效应的特征和作用机理。针对完整三维空间中的超临界氮氩混合流体的自然对流在考虑活塞效应、Soret效应和Dufour效应相互作用的基础上，发现在自然对流发展阶段混合流体中存在特有的Soret效应和Dufour效应，并具有促进流动和增强换热的效果。对在重力作用下的超临界混合流体的自然对流采用激光全息干涉法进行了可视化实验研究。观察到了超临界混合流体活塞效应的存在，并通过将实验结果与在相同无量纲对比温度下得到的纯氮的实验结果对比得到了Dufour效应的实际作用效果，证实了Soret效应的存在。针对处于密闭空间内超临界混合流体的自然对流，通过实验和理论分析发现了超临界混合流体自然对流中的回折现象和过渡分叉现象。此外针对超临界混合流体的应用拓展，将其应用到低温超导磁体的冷却应用之中，对超临界混合流体的降温过程和低温热管的超临界启动过程进行了研究；并通过实验研究了混合工质气液相变条件下低温热管的传热特性，为提升低温热管的工作性能提供了指导和借鉴。通过本研究进一步深化了对近临界混合流体热质传递现象和机理的认识，为其应用提供了相关的基础数据和指导。本项目共发表SCI收录论文16篇，EI收录论文19篇，项目负责人在重要国际会议上作特邀报告2次，申请发明专利2项，毕业博士生2人，1人获得2016年上海市优秀博士学位论文，毕业硕士生2人，项目负责人担任国际期刊Energy编委和国际制冷学会A2委员会副主席。