中科院陈林：超临界/拟临界条件二氧化碳传热传质机理和方法研究

研究背景

超/跨临界过程广泛存在于各种工程领域，例如应用于太阳能热力发电CO2布雷顿循环关键压缩-膨胀过程、阿拉姆循环零碳排放机制、航天和舰艇推进系统等等。跨越拟临界过程由于蒸发潜热和表面张力的消失，湍流和扩散成为影响腔内混合程度的重要因素。这一过程同时伴随着拟临界线附近物质聚集状态、跨越过程的参数波动等特殊热力学现象。超临界环境下，特别是拟临界区域，瞬态效应变得显著，这些因素带来了超/跨临界现象从基础分子层面理论和实验方面的巨大挑战。

研究内容

中国科学院工程热物理研究所陈林研究员团队，针对临界区流体的动态参数波动所导致的出异常相态行为，通过分子动力学模拟研究了拟临界线附近的 CO2 流体的动态特征。研究构建和使用了新的力场和更新的 CO2 参数集。采用标准差分析法分析CO2 存在于其拟临界线附近规律和特征，将微观涨落特征和拟临界特性统计行为相结合，分析了拟临界状态及其附近区域的流体物理本质。与传统的相模拟法不同，非平衡超临界 CO2流体在拟临界线周围表现出不对称行为，表明两侧参数分布不均匀。与简单的“混合”理论不同，本研究发现的局部分布的参数说明了分子间的聚集和结构转变发生在拟临界线区域。而在远离临界区域，波动幅度减小，瞬态聚集现象消失。该部分的研究贡献于拟临界区域分子模型方法和跨越拟临界线基础理论的发展。

图1 拟临界线附近的关键跨越参考物性点位 (Liu et al., POF, 2022)

以此为基础，近临界特殊性质的作用原理被认为是理解流体传输物理瞬态过程的关键，尤其是在热边界层分析中。该团队采用改进的流体控制方程的渐近模型分析方法，研究了不同边界条件下（恒温或绝热）近临界流体在温度脉冲作用下的特性。渐近分析结果表明，边界层主要受扩散效应（对空间梯度敏感）控制，同时表现出整体波动特性。当在边界处施加一个小的热脉冲时，可以看到大小约为0.05 mK的波过程。波在一维单元中传播，反映了声学时间尺度中参数的快速重新分布。瞬态温度和压力结果表明，当流体流经边界层进入体时，声波过程与特定能量传输过程相关联。该部分的研究将有助于从较低维度物理过程构建对临界区域热物理波动过程的机理解释。

图2 不同临界距离条件下特征时间尺度的比较(扩散尺度thermal diffusion (tD), 热-机械时间尺度the piston effect (tPE), 声学尺度(ta)；特征长度为 0.1m) (Chen et al., POF, 2022)

同时，该团队近期还通过基于像素掩模的相移干涉实验方法，开展了对亚/跨/超临界射流过程的定量可视化研究，准确地获得流场内的密度以及局部参数，定量揭示了不同路径射流的形貌演化、混合层发展规律。该方法基于像素阵列掩模法，同时获得多相位角的干涉图像，进而实现密度场高精度重构，为进一步测量高速超临界射流条件提供了有效方式。本实验是国际上首次将基于密度场的精密干涉方法用于超临界流体射流的定量瞬态研究，直接给出了射流混合层密度演化过程及其参数依赖规律。研究表明亚临界射流具有较大的不稳定性，边缘易发生破碎，有细小液滴产生。跨临界射流由于表面张力和蒸发潜热的消失，界面存在一个高度褶皱的连续两相混合层，从液相逐渐过渡到超临界相。通过对局部参数进行分析，亚临界射流由于液-气巨大的密度差，导致表面有较大的密度梯度，|∇ρ|max = 20 ×105 kg/m4。而跨临界射流的密度梯度较小|∇ρ|max = 18 ×105 kg/m4，峰值位置发生在两相转变的混合层，有利于径向的扩散。该部分的研究从定量角度首次系统性给出了临界区域射流过程的基本结果，将有助于超/跨临界热物理及其关键能源、动力、航空等关键领域的应用开发。

(a) 相位场

(b) 密度场

图3 跨临界射流相位场和密度场。(a) 相位场 (b) 密度场。实验条件：pinj = 7.500 MPa, Tinj = 28.00 ℃; penv = 7.382 MPa, Tenv = 32.00 ℃。(Yang et al., ETFS, 2022; JSF, 2022)

相关论文

1.

作者：Liu, Z. Y., Chen, L.*, & Chen, H..S (2022).

标题：Characterization of dynamic fluctuations of CO2 fluid parameters at critical regions near the pseudo-critical line.

期刊号：Physics of Fluids, Vol. 34(6), paper no. 062003. [拟临界区域动态参数特征分析及其分子方法]

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0094878

2.

作者：Chen, L.*, Zhang, R., Kanda, Y., Basu, D.N., Komiya, A., Chen, H.S. (2022).

标题：Asymptotic Analysis of Thermally-Introduced Wave Process Near the Liquid-Gas Critical Point: Thermostatic and Insulated Conditions

期刊号：Physics of Fluids, Vol. 34, paper no. 036102. [临界区域热边界层渐进分析方法]

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0086516

3.

作者：Yang, D., Chen, L.*, Kanda, Y., Komiya, A., & Chen, H.S. (2022).

标题：Quantitative visualization of injection jet flow behaviors of transcritical and supercritical processes by pixelated phase-shifting interferometer.

期刊号：Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 139, paper no. 110729. [亚临界、超临界射流形貌]

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2022.110729

4.

作者：Yang, D., Chen, L.*, Zang, J., Huang, Y., & Chen, H.S. (2022).

标题：Experimental characterization and analysis of supercritical jet dynamics by phase-shifting interferometer system.

期刊号：The Journal of Supercritical Fluids, Vol. 189, paper no. 105724. [超临界射流特征关系准则]

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.supflu.2022.105724

主要作者介绍

杨董，中国科学院工程热物理研究所在读博士研究生，导师陈林研究员。

陈林，现为中国科学院工程热物理研究所研究员、博士生导师、传热传质研究中心团队负责人。曾任日本东北大学CREST研究员、JSPS特别研究员及助理教授职务。致力于超临界CO2热力循环新体系、高精度传热与流动计测(激光干涉、TSP/PSP等)、高可压缩传热传质及其与深度学习技术等研究。主持和参与30余项重要项目，发表高水平论文80余篇，应邀作国内外邀请报告30余次，申请专利20余项，英文专著3部。任ASME JNERS、J. Supercritical Fluids杂志等8个国际期刊副主编/编委等重要职务。近期主持出版了国际首部超临界流体能源化工应用两卷本英文专著“Handbook of Research on Advancements in Supercritical Fluids Applications for Sustainable Energy Systems”。

小宫敦树，现为日本东北大学流体科学研究所教授，致力于复杂传热传质过程高精度测量领域研究，与中国科学院工程热物理研究所陈林研究员团队开展了广泛的研究合作。近年来发表学术论文百余篇，是日本传热学会青年科学家奖(2001)、贡献奖(2013)和学术奖(2017)获得者。因传热传质高精度计测方面的创新业绩，于2012年获得日本文部科学大臣表彰。曾任国际传热大会(IHTC-2014)秘书长、国际传热论坛(IFHT-2016)、亚洲热物性大会(ATPC-2022)组委会负责人等。

陈海生，现为中国科学院工程热物理研究所研究员、博导，国家杰出青年科学基金获得者。入选中国科学院“百人计划”、中组部首批“万人计划”、是科技部863项目首席专家。长期从事储能研发工作，主持和参与了超过50项重要项目，发表杂志论文300余篇，申请专利超过150项，获省部级以上奖励10余项。目前担任中国工程热物理学会副理事长兼秘书长、国际储能技术与产业联盟总干事、中国能源研究会储能专委会主任、中国化工学会储能专委会副主任、中关村储能技术与产业联盟理事长。

期刊介绍

Physics of Fluids是一本卓越的期刊，致力于发表原创理论、计算和实验贡献，以了解气体、液体和复杂或多相流体的动力学。

Physics of Fluids 出版精致的作品，通常带有令人惊叹的图像、录像。对流体物理的主题进行了专业的快速审查，这些主题多种多样，反映了流体动力学中最重要的主题。

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