CO2微粒管内升华流动与传热问题研究

Knowledge on flow dynamics and heat tansfer of CO2 particle sublimation in a tube is critical to novel CO2 refrigeration cycles and cryogenic CO2 capture and transport systems, etc.In this project, experimental and numerical methods are utilized to investigate flow dynamics and the characteristics of mass, momentum and energy transportation in cryogenic CO2 particle-gas sublimation flow. This study aims at a deeper understanding of the nature of particle phase change and multi-scale surface transport process. The multi-particle interaction characteristics and mechanism of complex sublimation system are planned to be studied. The influence of particle surface morphology on the sublimation rate and internal mechanism will be focused. In addition, sublimation flow and heat transfer under various thermal and mechanical boundary conditions are also important for system optimizations. Furthermore, possible blockage phenomena and their formation nature will be thoroughly studied, including practical solutions. It is hoped that this project will introduce deeper understandings of CO2 particle sublimation flow and related multi-scale transport phenomena, making a strong basis for further application of novel CO2 refrigeration, CO2 capture and transportation and other systems.

CO2微粒管内升华流体动力学与传热问题对新型的CO2制冷循环、低温法CO2工业捕获、运输等系统的设计、运行至关重要。本项目采用实验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法，研究管内运动CO2微粒升华流体动力学与质量、动量、能量传输特性，探索其相变机理以及多尺度传输机理；研究多个运动CO2微粒升华过程中的相互作用规律及机理；研究干冰微粒不同的形貌对于升华速率和机理的影响规律；研究各种边界条件、系统几何设计、运行温度和压力等因素对升华流体动力学和传热性能的影响；研究管内CO2微粒两相流动中可能出现的阻塞现象及内部物理机制，并对其作用机理、解决方案等做深入研究与探讨。通过本项目的研究将对管内CO2微粒升华流动的特征与动量、热量传输的认识在本质上有进一步地深入的认识，为提高其在天然工质CO2低温制冷技术、CO2捕获和输运及其它能源环境技术等工程上的应用水平及系统优化与控制方面打下坚实的基础。

CO2微粒具有比表面积大、表面活性强、流动性质优异等特点，在制冷、储能、器件清洁等领域的应用中具有巨大的潜力。CO2微粒管内升华流体动力学与传热问题对新型CO2制冷循环、低温法CO2工业捕获、运输等系统的设计、运行至关重要。本项目采用实验研究和数值模拟相结合的办法，首先通过CO2微粒管内固气两相流可视化实验，观察到了CO2微粒管内流动中发生的沉积、堵塞现象，研究了不同管路形状情况对于沉积、堵塞现象带来的影响，并在此基础上提出了CO2 固气两相流循环制冷系统的设计思路。本项目对CO2微粒管内升华流动过程中产生的纳米尺度CO2微粒进行了数值模拟研究。研究发现，单个纳米尺度CO2微粒的升华过程具有瞬时性的特点，而多个纳米颗粒间的相互作用也会促进升华现象的发生，分析总结了不同工况（温度、压强和颗粒尺寸）下CO2微粒的相互作用和升华相变特性。同时，模拟研究了CO2纳米微粒与管道壁面间相互作用的运动和能量传递特性，发现了CO2纳米微粒在管道壁面上的加速过程，以及碰撞作用后的分子逃逸及其相变现象。本项目的研究有助于增加对CO2微粒管内升华流动和传热过程的物理认识，本研究中发展的数值模型和通过实验提出的CO2 固气两相流循环制冷系统的设计思路也可以进一步为CO2微粒的基础研究和相关工程领域应用提供借鉴。