微尺度条件下近临界流体动力学与传热问题研究

Near-critical fluid flow and heat transfer in microscales have become one of the critical topics in the novel types of micro heat exchanger, micro mixer, micro synthesizer and micro sensor etc. In this project, experimental, numerical and thermodynamic methods are utilized to investigate basic microchannel near-critical flow and heat transfer characteristics and related mechanisms. This study aims at a deeper understanding of the multi-scale microchannel size effect and its influences on the flow and heat transfer behaviors. The stability characteristics of microchannel near-critical boundary thermal convection and the mainstream convective flow are planned to be studied, which also include different channel surface conditions, heating strategies, temperature, pressure and flow control conditions, etc. The near-critical thermal-mechanical effects on various flow situations of microchannel flow and heat transfer will be focused. In addition, the design and construction of high-precision interferometer measurement system will be made, in order to quantitatively obtain the flow and temperature field of the near-critical microscale flow information. It is hoped that this project will introduce deeper understandings of micro-scale near-critical fluid flow and related thermal transport phenomena, making a strong basis for further application of novel micro heat exchanger, micro mixer, micro synthesizer and micro sensor etc.

微尺度条件下近临界流体动力学与传热问题对新型微换热器、微混合器、微合成器以及微传感器等系统的设计、运行至关重要。本项目采用实验研究、热力学理论分析与数值模拟相结合的方法，研究单个微通道内近临界流体的流动、传热特性和机理；研究多尺度条件下微通道几何设计对近临界流体流动与传热的影响及作用机理；研究微尺度通道内近临界流体热边界层对流稳定性的演化与发展规律，探明微通道表面形貌、加热方式、温度、压力等条件对近临界流体动力学和传热稳定性的作用规律及内在机制；研究微通道内热-机械扰动及其在各种状态下的作用机理；研究微通道内近临界流体热混合机理并探讨相关松弛过程；搭建高精度激光干涉测量试验平台，定量获得近临界流场和温度场特性。通过本项目的研究将对微尺度条件下近临界流体流动的特征与热量传输在本质上有进一步深入的认识，为提高其在新型微换热器、微混合器、微合成器以及微传感器等系统上的应用水平打下坚实的基础。

近年来，微尺度条件下的化工、医药、传热与能源利用等系统的研究己经成为极具潜力和挑战性的课题。近临界CO2作为一种天然替代性环保工质，在微尺度条件下己证明具有良好的性能。本项目针对近临界流体在微尺度通道内流动开展了系列研究。设计和搭建了精密的相移干涉可视化测量平台，实现了近临界流体开放流道非接触式观测。在竖直扁平的微通道内开展了一系列从亚临界到近临界的实验。同时，发展了数值计算方法针对近临界CO2在微通道内流动稳定性和换热特性进行了详细探究。研究发现，在100到200微米的通道中，相应壁面流体温度的瞬态扰动和“坍塌”以及涡旋流动现象。在相对较大的微通道，发现流场只在下侧壁面附近产生类似热羽过程的对流情景。在涡流动起始阶段主流区域临界流体温度随着时间迅速均匀升高，发生了“临界加速”现象和特殊的冷却过程。与温度坍塌现象相对应，不同的尺寸下发生了局部的换热强化过程。理论分析表明，这种流动能够以较小的能量耗散，来支撑较强的混合过程。本研究中发现近临界流体涡流特征时间参数和混合参数与一般流体的不同，近临界流体遵循指数演化规律，而传统流体则是线性的。进一步的理论分析表明，近临界CO2在微通道对流起始过程中会产生热边界层快速热膨胀，从而引起主流的不稳定发生。这种临界稳定性演化被归结于一种新的开尔文—亥姆霍兹不稳定性。临界热边界层中热—机械过程代替了重力波扰动，成为不稳定性的新的扰动来源。这种微尺度瞬态强化混合的过程希望能够为相关的近临界流体特性与微尺度工艺过程研究提供理论基础和有益的设计参考。