透平膨胀机内制冷工质跨音速流动瞬态界面形成机理及相态分离特性研究

分析透平膨胀机内制冷工质高速流动过程混合流相态变化与能量迁移规律的非平衡热力学问题，掌握尺度效应、三元流动和工质特性对高速透平膨胀机性能的影响；通过研究制冷工质，特别是天然工质CO2在跨临界两相透平膨胀机内的非稳态降压（过热）闪蒸过程，描述静态及旋转流道内跨音速流动机理、相变瞬态界面的形成过程和相态分离特性；获得两相透平膨胀机热力性能、气动性能的描述与动态仿真方法；对跨临界两相低温透平膨胀机中的制冷工质降压（过热）闪蒸、汽蚀、流动损失组成、流道叶型选择以及跨临界流体/气泡相界面的形成与分离及非均匀多相流运动规律与影响因素等方面进行系统的理论分析、数值模拟和实验研究；掌握两相透平膨胀机能量动态分布规律和气体动力学特性，构建大带液率跨临界两相透平膨胀机的基础设计理论，探索透平膨胀机替代制冷/热泵系统节流机构的关键技术，为非平衡热力学可压缩两相流动的基础研究和制冷空调领域的节能与环保做出贡献。

节流机构起着膨胀降压、降温和制冷剂流量调节的作用，是制冷空调系统的冷量来源，但常用的膨胀阀和毛细管等节流机构不可避免地会造成制冷系统的节流损失。采用膨胀装置替代节流机构可实现近等熵膨胀，有利于提高制冷系统的效率。透平膨胀机具有效率高、零部件少、维护方便、无泄漏、可靠性高等诸多优点，若能保障其效率和运转稳定性，则是替代节流机构的最佳选择。为解决两相透平膨胀机替代制冷系统节流机构的关键问题，本项目在自然科学基金的资助下，首先进行了文献收集、方案论证，对不同膨胀方式替代节流阀提升系统COP的特性进行了探讨；开展了跨临界透平膨胀机替代节流机构的制冷/热泵循环理论分析及制冷工质过热闪发过程的机理研究；进一步分析了透平膨胀机内制冷工质高速流动过程混合流相态变化、气动特性与能量迁移规律的热力学问题，着重探索了尺度效应、三元流动和工质特性对高速透平膨胀机性能的影响；并通过研究制冷工质，特别是天然工质CO2在跨临界两相透平膨胀机内的非稳态降压过程，描述了静态及旋转流道内跨音速流动机理、相变瞬态界面的形成和相态分离特性；以及高速两相流动流型与气液比例、相态分布特征，获得了各种因素对膨胀过程和膨胀后状态的影响。对跨临界两相低温透平膨胀机中的制冷工质降压膨胀、汽蚀、流动损失组成、流道叶型选择以及跨临界流体/气泡相界面的形成与分离及非均匀多相流运动规律与影响因素等方面进行了系统的理论分析与数值模拟，掌握了两相透平膨胀机能量转换与热工参数动态分布规律。另外，还完成了高速透平机械轴承－转子系统气动性能及稳定性的研究工作，设计了一台CO2跨临界两相透平膨胀机，开展了高速两相透平膨胀机机械性能和系统匹配研究以及透平膨胀机替代节流机构的初步实验。最终通过理论分析结果和实验数据的对比，验证了本项目所建立数学模型的可靠性和技术方案的可行性。并针对高速透平内部的复杂工质流动以及由于工况变化与启停等各种原因造成的非稳定工况，基于改进一元流动及三元流动分布参数动态传输模型，解决了高速透平各通流单元的数学建模问题并进行了耦合分析，求解了高速透平性能预测和动态设计与仿真正反两方面命题，进行了两相透平膨胀机替代节流机构及能量回收的稳态与非稳态性能预测与动态仿真。最终构建了大带液率跨临界两相透平膨胀机的基础设计理论，探索了透平膨胀机替代节流机构的关键技术,为跨临界两相透平膨胀机的进一步研究和应用打下了良好的基础。