含润滑油超临界CO2管内冷却换热的机理研究

The in-tube cooling heat transfer of supercritical CO2 mixed with lubricating oil is a fundamental problem in the application of CO2 as natural refrigerant. In CO2 trans-critical cycle systems, discharged lubricating oil from the compressor mixes with the CO2 refrigerant, greatly affecting the heat transfer performance of the gas cooler. The influence of the entrained lubricating oil on the heat transfer, including the characteristics and mechanisms requires further investigation. The in-tube cooling heat transfer process of supercritical CO2 mixed with lubricating oil will be investigated by experimental, numerical and theoretical methods, focusing on the effects of the lubricating oil on the thermophysical properties and the flow structures. The local heat transfer characteristics and data will be obtained by experimental methods. The effects of the thermophysical properties of the supercritical CO2/lubricating oil mixtures and the flow pattern characteristics on the local heat transfer will be theoretically analyzed at the macroscopic level based on the visualization experimental results. Numerical method accounting for the thermophysical property variations of the supercritical CO2/lubricating oil mixtures as well as the flow pattern characteristics will be developed to investigate the effects of the oil droplets and oil film on the flow structure and heat transfer. The influence mechanism at the microscopic level of lubricating oil on the in-tube cooling heat transfer will be analyzed. Semi-empirical theoretical model will then be established to predict the in-tube convection heat transfer to supercritical CO2 mixed with lubricating oil. The results provide theoretical guidance and scientific basis for the practical designs and optimization of gas coolers and the trans-critical cycles. In addition, this research also contributes to the academic area of two components pseudo-two phase flow and heat transfer without phase change.

含润滑油的超临界CO2管内冷却换热是CO2自然工质应用中重要的基础性问题。在CO2跨临界循环系统中，从压缩机泄漏的润滑油与CO2工质混合对气体冷却器的换热性能产生显著影响，其影响特性、规律和机理还需进一步研究。本项目拟针对含润滑油的超临界CO2管内冷却换热过程开展实验、模拟和理论研究，围绕润滑油的混入对工质热物性、流场结构两方面的影响，通过实验获得局部对流换热特性，结合可视化研究，从宏观上对超临界CO2/润滑油混合物热物性、流型特征对局部对流换热的影响规律进行理论分析；发展考虑混合物热物性变化和流型特征的数值模拟方法，从微观上揭示润滑油液滴、油膜对换热的影响机理；基于宏观实验数据和微观机理分析，建立含润滑油的超临界CO2管内冷却换热的半经验理论模型。研究成果不仅为CO2跨临界制冷/热泵循环的设计和优化提供理论指导和科学依据，在两组分无相变（拟）两相流动换热研究领域也具有重要的学术价值。

含润滑油的超临界CO2管内冷却流动和换热是CO2自然工质应用中重要的基础性问题，并且受到剧烈变物性、浮升力和流动加速效应影响异常复杂。本课题的研究对于CO2跨临界制冷/热泵循环的设计和优化，以及CO2在核能及其他能源领域应用有重要意义。主要研究成果如下：. 1）建立超临界CO2/POE油均匀单相流体管内流动换热模型，以及超临界CO2/PAG油两相流体半经验理论模型，可用于定量计算润滑油对超临界CO2工质流动阻力和对流换热系数的影响，为相关部件设计和优化提供依据。. 2）对超临界CO2管内冷却换热实验研究表明，受物性剧烈变化的影响，其流经细圆管被冷却局部对流换热热流密度及努塞尔数沿程变化显著。进口雷诺数越大，热流密度越大，努塞尔数越高。. 3）通过数值计算与理论分析评价湍流模型对超临界CO2换热模拟的适用性及效果，针对湍动能生成率、湍流普朗特数、阻尼函数对模拟结果影响分析表明，低雷诺数湍流模型后续改进应考虑选择合适的阻尼函数参数（湍流雷诺数Ret或无量纲壁面距离y+）以及合适的函数形式，以准确反映受浮升力影响导致局部流场变化对湍动能的影响，为湍流模型后续改进提供指导。. 4）对流道尺度及雷诺数对超临界CO2对流换热影响研究表明，热加速影响对于小尺度流道影响显著。在直径较大流道中，浮升力对流动传热影响较为显著。雷诺数对超临界CO2换热影响主要体现在对于浮升力影响不同。雷诺数较低时，浮升力强化换热主要机理为，强浮升力导致截面速度出现显著“M”型分布，反向剪切力较强产生较大的湍动能，使得传热强化。. 5）建立液滴在主流中运动模型，考虑液滴受到自身重力、流体浮力、流动曳力、附加质量力、马格努斯升力和萨夫曼升力对其运动的影响。该模型可用于研究液滴在三维流场中运动，如润滑油液滴在超临界CO2主流中运动以及对传热影响的研究。. 本项目研究成果目前已发表期刊论文4篇，会议论文3篇，其中SCI论文3篇，EI论文4篇。全部成果中本项目均为第一标注。培养博士生1名（在读），培养硕士生1名（已毕业）。.