多時(shí)間尺度上超臨界流體活塞效應(yīng)作用下熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理研究.pdf

1、超臨界流體指的是當(dāng)流體溫度和壓力同時(shí)超過(guò)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(diǎn)（高密度，可壓縮，易于擴(kuò)散溶解且表面張力為零），近年來(lái)它的工業(yè)應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，在諸如汽車(chē)空調(diào)，超導(dǎo)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(yīng)堆等領(lǐng)域都有著很好的應(yīng)用前景。在臨界點(diǎn)附近物質(zhì)熱物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生急劇變化，這使得溫度弛豫過(guò)程中出現(xiàn)一種非同尋常的加速作用，被稱(chēng)為“活塞效應(yīng)”。從根本上來(lái)說(shuō)，由于

2、可壓縮性在臨界點(diǎn)處表現(xiàn)出異常增大的趨勢(shì)，因此當(dāng)流體中出現(xiàn)局部熱不均勻分布時(shí)，其所生成的熱邊界層結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生劇烈膨脹，如同運(yùn)動(dòng)活塞一般擠壓其余流體，從而對(duì)主流產(chǎn)生絕熱壓縮的效果，這一點(diǎn)與經(jīng)典熱傳導(dǎo)，對(duì)流以及輻射傳熱不同。而從聲學(xué)時(shí)間尺度上來(lái)看，活塞效應(yīng)在本質(zhì)上是一種強(qiáng)烈的熱聲耦合現(xiàn)象，在熱邊界層發(fā)生劇烈膨脹的同時(shí)伴隨有熱聲波動(dòng)現(xiàn)象形成。隨著熱聲波在流體內(nèi)部進(jìn)行高速（當(dāng)?shù)芈曀伲﹤鞑?，熱邊界層?nèi)的溫度擾動(dòng)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(diǎn)是考察聲學(xué)時(shí)間尺度上熱聲波傳熱過(guò)程以及擴(kuò)散時(shí)間尺度上活塞效應(yīng)與自然對(duì)流作用對(duì)于溫度場(chǎng)弛豫過(guò)程的綜合影響。
　　 盡管短時(shí)間尺度上的熱聲作用與一般意義上非Fourier熱傳導(dǎo)中的熱波傳熱現(xiàn)象有相似的地方——溫度擾動(dòng)以波的形式進(jìn)行傳播，但是就物理機(jī)理本質(zhì)和物理性質(zhì)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(dòng)作用并不能夠通過(guò)以雙弛豫時(shí)間(dual-phase-lag，DPL)模型為代表的非Fourier導(dǎo)熱

4、理論來(lái)加以詮釋。為了考察臨界點(diǎn)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(xué)描述為基礎(chǔ)的物理模型，其中包含了能夠反映真實(shí)流體物性變化情況的狀態(tài)方程，而相應(yīng)的分析方法則主要采用一種顯式預(yù)測(cè)-校正數(shù)值方法，圍繞不同條件下熱聲波的生成和傳播過(guò)程的物理特性展開(kāi)全面細(xì)致的分析研究。主要結(jié)論包括:其一，當(dāng)極度靠近臨界點(diǎn)時(shí)，傳熱過(guò)程在強(qiáng)烈發(fā)散的體積黏度作用下進(jìn)入黏性階段，而模擬結(jié)果顯示強(qiáng)烈的黏性作用對(duì)于熱聲波動(dòng)過(guò)程同樣有著明顯的影響，邊界層內(nèi)激

5、增的黏性力使得當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)大量流體堆積，由此產(chǎn)生的局部機(jī)械失衡導(dǎo)致邊界層間接膨脹，從而引發(fā)熱聲對(duì)流。其二，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)邊界加熱的速率，可以得到性質(zhì)不同的熱聲響應(yīng)。具體來(lái)看，當(dāng)邊界出現(xiàn)瞬時(shí)加熱情況時(shí)，由于溫度突變激發(fā)所產(chǎn)生的熱聲波具有脈沖波的特征，其在等溫邊界處的反射會(huì)造成局部出現(xiàn)“冷點(diǎn)”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(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間演化后，兩種熱聲過(guò)程隨著流體密度場(chǎng)中不均勻性的不斷增強(qiáng)，先后被緩慢擴(kuò)散作

6、用所取代。其三，離開(kāi)臨界點(diǎn)的距離在熱聲波形成過(guò)程中的作用在線(xiàn)性和非線(xiàn)性擾動(dòng)下各不相同。當(dāng)所施加的熱擾動(dòng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的線(xiàn)性特征時(shí)，對(duì)應(yīng)的熱聲波不隨流體初始狀態(tài)的變化而發(fā)生性質(zhì)上的改變;而在非線(xiàn)性熱擾動(dòng)作用下，熱聲波的波陣面則會(huì)因流體臨界程度的變化而出現(xiàn)嚴(yán)重變形。隨著時(shí)間的推移，這兩種熱聲過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化效率逐漸趨于一致，這說(shuō)明熱聲波中的非線(xiàn)性作用持續(xù)時(shí)間相對(duì)較為短暫，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間下活塞效應(yīng)的形成影響有限。其四，在二維腔體中，由點(diǎn)熱源生成的熱聲波

7、具有圓柱形的波陣面，其在傳播過(guò)程中將發(fā)生幾何擴(kuò)張，出于能量守恒的需要，在熱聲波經(jīng)過(guò)之后會(huì)在流體中形成一種補(bǔ)償性的稀疏波效應(yīng)，從而造成溫度出現(xiàn)短暫下降。
　　 在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，熱聲波的累積作用反映為熱邊界層在膨脹過(guò)程中對(duì)于流體主流的持續(xù)壓迫作用，即活塞效應(yīng)。在它的影響下，流體溫度場(chǎng)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(shí)有熱邊界層結(jié)構(gòu)生成。邊界層內(nèi)流體力學(xué)不穩(wěn)定因素隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)，最終產(chǎn)生對(duì)流。借助數(shù)值模擬的手

8、段，對(duì)扁平長(zhǎng)方形密閉空間中超臨界氮的Rayleigh-Bénard(RB)對(duì)流問(wèn)題展開(kāi)研究，其中重點(diǎn)考察了對(duì)流模式沿著臨界等容線(xiàn)的變化情況?？紤]到熱聲波動(dòng)過(guò)程與自然對(duì)流作用在物理時(shí)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(lái)對(duì)原始物理模型進(jìn)行低階簡(jiǎn)化，以達(dá)到過(guò)濾往復(fù)聲學(xué)過(guò)程的目的。通過(guò)對(duì)瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得到了表征RB對(duì)流過(guò)程特性參數(shù)隨Rayleigh數(shù)變化的物理尺度關(guān)系，從中可以看出，超臨界流體中自然對(duì)流的

9、形成過(guò)程與普通Boussinesq可壓縮流較為相似。特別地，計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)Nusselt數(shù)與Rayleigh數(shù)之間的關(guān)系呈現(xiàn)出比較明顯的漸進(jìn)分布特性，這與對(duì)流模式的演化過(guò)程相對(duì)應(yīng)。在高Rayleigh數(shù)階段，流動(dòng)以上下邊界附近生成的熱羽流為主，在對(duì)流作用不斷加強(qiáng)的同時(shí)，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(yīng)的影響;而在低Rayleigh數(shù)階段，流場(chǎng)主要由呈周期性分布的多渦胞結(jié)構(gòu)所主導(dǎo)。
　　 通過(guò)二次曝光全息干涉計(jì)量

10、方法對(duì)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(guò)程進(jìn)行可視化觀測(cè)，獲得了宏觀對(duì)流作用在強(qiáng)烈活塞作用背景下的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。從得到的全息干涉圖中可以看出，隨著離開(kāi)假臨界線(xiàn)距離的減小，從干涉條紋的空間分布中看出對(duì)流模式的空間非對(duì)稱(chēng)性逐漸增強(qiáng)，表明流動(dòng)紊亂度有所增強(qiáng)。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增大加熱量可以縮短對(duì)流作用的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)在活塞效應(yīng)的作用下提高主流溫度的上升幅度。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，兩者在對(duì)