超临界二氧化碳用于对流换热能源系统的数值研究

本项目旨在设计格子Boltzmann算法模拟密闭空腔和密闭回路中超临界二氧化碳(CO2)的自然对流，为能源设备的安全、高效运行提供优化方案。超临界CO2的物性参数对温度和压力的变化非常敏感，显示了用于发展高效自然循环系统的优势，同时也给传统的数值求解方法带来很多困难。本项目尝试采用格子Boltzmann方法模拟超临界CO2的自然对流，通过开展一系列的数值实验，讨论物性变化（特别是在伪临界温度附近）对流动稳定性和换热性能的影响，总结各控制参数（压力、温度、纵横比、倾斜角度、空腔内隔板的布置、回路的管径等）的影响规律，给出函数关系式，为有效利用超临界CO2的物性特征提高能源使用效率、开发可再生能源技术提供理论依据。本项目中算法的实现对于研究其它超临界流体和具有类似性质流体的对流换热过程具有重要意义。

超临界CO2的物性参数对温度和压力的变化非常敏感，显示了用于发展高效自然循环系统的优势，同时也给传统的数值求解方法带来很多困难。本项目设计了格子Boltzmann算法和有限体积算法模拟了超临界二氧化碳(CO2)在密闭空腔和循环回路内的自然对流，讨论了物性变化（特别是在伪临界温度附近）对流动和传热的影响，总结了控制参数（压力、温度、纵横比、倾斜角度、回路的管径等）的影响规律。研究结果表明：超临界CO2是发展高效换热设备的理想流体，对控制参数进行优化有助于改善换热设备的整体性能。本项目为有效利用超临界CO2的物性特征提高能源使用效率、开发可再生能源技术提供了理论依据；同时也为进一步研究超临界流体在湍流状态下的复杂传热现象奠定了基础。项目中设计的数值算法可以用于研究其它超临界流体的对流换热过程，比如：第IV核反应堆中使用的超临界水。本项目顺利完成了计划书中的研究任务，2012年曾被基金委选为“进展突出项目”。截至目前，已发表SCI收录的学术论文2篇，EI收录1篇，另有2篇近期将投送国际顶级杂志；会议论文3篇。