超临界压力流体在多因素作用下的流动与热质传递机理研究

The project focuses on the key and common issues of supercritical pressure fluid as working fluid in the new aerospace aircrafts, advanced nuclear energy systems, high-temperature solar thermal power generation and underground energy resources development - study on supercritical pressure fluids flow, heat and mass transfer mechanisms under the action of multiple factors. .This program will carry out macro-, mini- and micro-scale experimental research, theoretical analysis and numerical simulation on supercritical pressure fluid in the complex structure, strong heat inertia force and instability mechanism, hydrocarbon fuel pyrolysis impact on the flow and heat transfer phenomena, heat and mass transfer multiphase transport mechanism in micro / nano channels..The main innovations will be: explain the mechanism of suppression for the re-laminarization resulted by the buoyancy and flow acceleration effects due to secondary flow in a curved channel, supercritical pressure fluid flow and heat transfer laws under rotating conditions, ascertain micro / nano-scale supercritical fluid pressure existing state and non-miscible phase coexistence and interface behavior; proposed compact and efficient heat transfer structures for spacecraft thermal control, high temperature solar power and nuclear technologies; eliminate flow instability and improve shale gas production efficiency and accurate description of heat storage system performance in Enhanced Geothermal Systems.

本项目针对以超临界压力流体为工质的新型航天航空飞行器、先进核能系统、高温太阳能热发电及地下能源资源开发等技术中的关键共性科学问题——多因素作用下超临界压力流体流动与热质传递机理开展研究。.围绕复杂结构中超临界压力流体的流动换热机理与强化换热方法、超临界压力流体在强惯性力作用下及非稳定条件下流动换热规律、微/纳通道中超临界压力流体与不混溶流体多相输运与热质传递机理等开展宏观、细观与微观相结合的实验研究、理论分析和数值模拟。研究成果对于超燃冲压发动机、涡轮/冲压组合发动机、超临界压力核反应堆、高温太阳能热发电系统、增强地热系统、非常规油气资源开采等重要技术领域的进步具有重大的科学价值和实际意义。

针对以超临界压力流体为工质的新型航天航空飞行器、先进核能系统、高温太阳能热发电及地下能源资源开发等技术中的关键共性科学问题—多因素作用下超临界压力流体流动与热质传递机理开展研究。研究了浮升力与流动加速耦合影响下竖直管道中超临界压力CO2的对流换热规律以及超临界压力二氧化碳在蛇形通道内的湍流对流换热规律及强化换热特性特性。对湍流模型进行了修正，通过开展直接数值模拟深入揭示了浮升力和流动加速对湍流的影响机理。研究表明，蛇形管可以有效地抑制由浮升力或热加速引起的向上和向下流动的严重换热恶化。对超临界压力CO2的泄漏过程和碳氢燃料流动换热的不稳定性及旋转条件下超临界压力碳氢燃料的对流换热规律进行了研究，得到了其发生的判据和计算准则关联式。总结了抑制和消除换热不稳定现象的方法，认为在全管中插入螺旋丝对于振荡抑制的效果最优，综合传热性能也是各工况中最优。采用理论分析和建模揭示了影响水分蒸发和液膜毛细回流的因素。通过孔隙尺度实验发现了液膜的回流长度决定了盐析出的位置。设计了孔隙尺度实验，研究了润湿性及CO2注入速率对盐析行为的影响规律，揭示了不同注入参数和润湿条件下盐的生长和聚集机理。通过孔隙尺度高压可视化实验，研究了CO2-油-水在多孔结构中降压过饱和析出规律与机理。研究结果表明CO2/油初始近混相状态可导致气泡同时密集成核析出，孔隙尺度主导机理是接触角滞后效应而非Jamin效应。定量获得了CO2置换驱技术中的关键参数：置换比。利用核磁共振与气相色谱相结合的实验方法，开展竞争吸附测量实验，获得了页岩粉末样在CO2-CH4混合气氛中的置换比参数，并分析了压力，混合气体摩尔比及温度的影响规律。通过分子动力学模拟计算了真实页岩孔隙中的置换比参数。在此基础上，得到了一种页岩颗粒CH4-CO2竞争吸附置换比的模型，实验与模拟数据和模型的拟合误差处于±15%内。