近临界二元混合流体双扩散对流问题研究

Double-diffusive convection in near-critical binary fluid is a fundamental mechanism in chemical extraction and synthesis, pharmaceutical industry and also energy utilization equipment etc. In this project, theoretical, numerical and experimental methods are utilized to investigate basic hydrodynamic and hear & mass transfer characteristics of double-diffusive convection caused by both temperature and concentration gradients in near-critical binary fluid. This study aims at obtaining an deep understanding of the conditions for instability, the growth rates and spatial scales of near-critical double-diffusive convection. The hydrodynamic behaviors and heat & mass transfer characteristics of the convection are planned to be studied. The roles of Soret and Dufour effects played in near-critical double-diffusive convection will be focused on. The interplay between the piston effect and double-diffusive convection will also be investigated. In addition, the design and construction of high-precision interferometer measurement system will be made, in order to quantitatively obtain the flow, temperature and concentration fields. It is hoped that this project will introduce deeper understandings of near-critical fluid flows and related heat & mass transport phenomena, making a strong basis for further application of novel chemical extraction and synthesis, material manufacturing and other related industrial applications.

近临界流体双扩散对流问题在生物、化工、医药、能源与资源利用等领域广泛存在。本项目采用理论研究、数值模拟和实验测量相结合的方法，研究近临界二元混合流体中热扩散、质扩散两种机制共同作用下的双扩散对流的流动和热质传递规律。具体而言，研究近临界流体双扩散对流的启动判据、增长率和空间尺度；研究对流从启动到充分发展阶段的流体动力学特征和热质传递规律与内在机制；研究Soret效应和Dufour效应在近临界流体双扩散对流中的作用机制；研究近临界流体的活塞效应与双扩散对流的相互作用；搭建高精度实验平台，定量获得近临界流场、温度场和浓度场特性。通过本项目的研究可在近临界流体双扩散对流的流体动力学特征与热量、质量传输机理的认识上前进一大步，为提高其在新一代化工、材料合成以及其它新兴尖端技术领域的应用水平及系统优化与控制方面打下坚实的基础。

本项目以近临界二元流体为研究对象，以热质耦合为落脚点，深入研究了双扩散对流问题，预测了新现象，揭示了新机理，并发展了新的应用方法。.本项目理论预测了质活塞效应这一快速能量传递新现象以及热质耦合新机理。本项目确认质活塞效应的三大机制为Dufour效应、浓度变化以及跨边界物质输运引起的边界速度。质活塞效应是这三大机制的叠加扰动在流体中以声波形式的传播和积累的结果。在声学时间尺度，通过理论分析，以边界速度为输入量，得到了声波的传播、反射和叠加过程的理论近似解，与数值模拟结果符合得很好。根据声波的性质为压缩波或膨胀波，可将质活塞效应分为加热和冷却两种类型。.本项目首次实现了包含交叉扩散、重力扩散、绝热温度梯度三种特殊效应的近临界二元双扩散对流不稳定性的数学建模与近似，得到了由六个无量纲数控制的系统，并阐明了其中正分离比的普遍性。通过线性和非线性分析分别研究了流体层在小扰动和有限振幅扰动下的稳定性。其中，线性分析揭示了存在小扰动的单调增长和振荡增长两种失稳方式。振荡不稳定的揭示颠覆了传统观念里对负分离比时才存在振荡不稳定的思维定式。分析表明，其发生条件为流体中存在足够大的抑制自然对流的浓度梯度，且浓度的总扩散率小于温度。由于重力相关效应（绝热温度梯度和重力扩散）与流体层高度的四次方成正比，在厘米量级它们已成为抑制对流发生的主导因素。非线性理论得到了有限振幅不稳定存在条件，其物理机制为流体中同时存在作用相反的温度梯度和浓度梯度，在热传导稳态下，抑制作用小于促进作用，小扰动衰减；在对流态下，对流使得促进作用超过抑制作用，对流得以维持。非线性分析还揭示了启动点附近对流解的几种分岔行为。.本项目的研究从理论上充分结合热质耦合这一近临界二元流体区别于一元流体的重要特征，阐明其在流体动力学与传递过程中带来的新现象与新机理，并发展了新应用方法。这些新的结果除了本身的理论意义外，还为工程中普遍存在的超/近临界混合流体流动与传热传质过程在机理层面提供了许多新的见解，促进工程中的过程强化技术和其他新设计、新应用的发展。