多時間尺度上超臨界流體活塞效應作用下熱質輸運機理研究.pdf

1、超臨界流體指的是當流體溫度和壓力同時超過各自臨界值后呈現(xiàn)出的一種特殊狀態(tài)。由于超臨界流體兼具液相與氣相的特點（高密度，可壓縮，易于擴散溶解且表面張力為零），近年來它的工業(yè)應用范圍逐步擴大，在諸如汽車空調，超導磁體冷卻，液化天然氣冷能再利用，化工萃取，火箭燃料，新一代超臨界水冷核反應堆等領域都有著很好的應用前景。在臨界點附近物質熱物理性質會發(fā)生急劇變化，這使得溫度弛豫過程中出現(xiàn)一種非同尋常的加速作用，被稱為“活塞效應”。從根本上來說，由于

2、可壓縮性在臨界點處表現(xiàn)出異常增大的趨勢，因此當流體中出現(xiàn)局部熱不均勻分布時，其所生成的熱邊界層結構將會發(fā)生劇烈膨脹，如同運動活塞一般擠壓其余流體，從而對主流產生絕熱壓縮的效果，這一點與經典熱傳導，對流以及輻射傳熱不同。而從聲學時間尺度上來看，活塞效應在本質上是一種強烈的熱聲耦合現(xiàn)象，在熱邊界層發(fā)生劇烈膨脹的同時伴隨有熱聲波動現(xiàn)象形成。隨著熱聲波在流體內部進行高速（當?shù)芈曀伲﹤鞑?，熱邊界層內的溫度擾動便以這樣一種極其高效的方式傳遍至流體各

3、處。本文研究的重點是考察聲學時間尺度上熱聲波傳熱過程以及擴散時間尺度上活塞效應與自然對流作用對于溫度場弛豫過程的綜合影響。
　　 盡管短時間尺度上的熱聲作用與一般意義上非Fourier熱傳導中的熱波傳熱現(xiàn)象有相似的地方——溫度擾動以波的形式進行傳播，但是就物理機理本質和物理性質而言，兩者有著根本性的差別，因此超臨界流體中的熱聲波動作用并不能夠通過以雙弛豫時間(dual-phase-lag，DPL)模型為代表的非Fourier導熱

4、理論來加以詮釋。為了考察臨界點附近的瞬態(tài)熱聲作用，在本次研究中建立了以完整流體力學描述為基礎的物理模型，其中包含了能夠反映真實流體物性變化情況的狀態(tài)方程，而相應的分析方法則主要采用一種顯式預測-校正數(shù)值方法，圍繞不同條件下熱聲波的生成和傳播過程的物理特性展開全面細致的分析研究。主要結論包括:其一，當極度靠近臨界點時，傳熱過程在強烈發(fā)散的體積黏度作用下進入黏性階段，而模擬結果顯示強烈的黏性作用對于熱聲波動過程同樣有著明顯的影響，邊界層內激

5、增的黏性力使得當?shù)爻霈F(xiàn)大量流體堆積，由此產生的局部機械失衡導致邊界層間接膨脹，從而引發(fā)熱聲對流。其二，發(fā)現(xiàn)通過調節(jié)邊界加熱的速率，可以得到性質不同的熱聲響應。具體來看，當邊界出現(xiàn)瞬時加熱情況時，由于溫度突變激發(fā)所產生的熱聲波具有脈沖波的特征，其在等溫邊界處的反射會造成局部出現(xiàn)“冷點”的特殊分布;另一方面，在邊界緩慢加熱模式下，熱聲波表現(xiàn)為典型的連續(xù)壓縮波。經過長時間演化后，兩種熱聲過程隨著流體密度場中不均勻性的不斷增強，先后被緩慢擴散作

6、用所取代。其三，離開臨界點的距離在熱聲波形成過程中的作用在線性和非線性擾動下各不相同。當所施加的熱擾動表現(xiàn)出較強的線性特征時，對應的熱聲波不隨流體初始狀態(tài)的變化而發(fā)生性質上的改變;而在非線性熱擾動作用下，熱聲波的波陣面則會因流體臨界程度的變化而出現(xiàn)嚴重變形。隨著時間的推移，這兩種熱聲過程的能量轉化效率逐漸趨于一致，這說明熱聲波中的非線性作用持續(xù)時間相對較為短暫，對于長時間下活塞效應的形成影響有限。其四，在二維腔體中，由點熱源生成的熱聲波

7、具有圓柱形的波陣面，其在傳播過程中將發(fā)生幾何擴張，出于能量守恒的需要，在熱聲波經過之后會在流體中形成一種補償性的稀疏波效應，從而造成溫度出現(xiàn)短暫下降。
　　 在長時間尺度上，熱聲波的累積作用反映為熱邊界層在膨脹過程中對于流體主流的持續(xù)壓迫作用，即活塞效應。在它的影響下，流體溫度場的分布十分特殊:主流中的溫度呈均勻上升，而在冷熱邊界處則同時有熱邊界層結構生成。邊界層內流體力學不穩(wěn)定因素隨時間逐漸增強，最終產生對流。借助數(shù)值模擬的手

8、段，對扁平長方形密閉空間中超臨界氮的Rayleigh-Bénard(RB)對流問題展開研究，其中重點考察了對流模式沿著臨界等容線的變化情況?？紤]到熱聲波動過程與自然對流作用在物理時間尺度上存在較大的差別，采用一種基于低Mach數(shù)的近似方法來對原始物理模型進行低階簡化，以達到過濾往復聲學過程的目的。通過對瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結果的分析，得到了表征RB對流過程特性參數(shù)隨Rayleigh數(shù)變化的物理尺度關系，從中可以看出，超臨界流體中自然對流的

9、形成過程與普通Boussinesq可壓縮流較為相似。特別地，計算得到的穩(wěn)態(tài)Nusselt數(shù)與Rayleigh數(shù)之間的關系呈現(xiàn)出比較明顯的漸進分布特性，這與對流模式的演化過程相對應。在高Rayleigh數(shù)階段，流動以上下邊界附近生成的熱羽流為主，在對流作用不斷加強的同時，從流層垂直溫度分布方式中仍然可以明顯感受到活塞效應的影響;而在低Rayleigh數(shù)階段，流場主要由呈周期性分布的多渦胞結構所主導。
　　 通過二次曝光全息干涉計量

10、方法對密閉腔體中超臨界氮在底部加熱條件下溫度空間分布特性的瞬態(tài)變化過程進行可視化觀測，獲得了宏觀對流作用在強烈活塞作用背景下的發(fā)生和發(fā)展過程。從得到的全息干涉圖中可以看出，隨著離開假臨界線距離的減小，從干涉條紋的空間分布中看出對流模式的空間非對稱性逐漸增強，表明流動紊亂度有所增強。另外，實驗結果表明增大加熱量可以縮短對流作用的啟動時間，同時在活塞效應的作用下提高主流溫度的上升幅度。通過將實驗觀測結果與數(shù)值模擬結果進行比較后發(fā)現(xiàn)，兩者在對