工学院张信荣课题组在超/近临界流体微尺度流动传热方面取得系列进展

来源 : 学历在线网 2019-12-10 16:50:26

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　　2014年伊始，工学院张信荣">张信荣课题组在超/近临界流体微尺度传热传质方面取得了一系列重要研究进展，分别在统计力学和流体物理领域著名期刊Physical Review E、Physica A，传热与能源领域著名期刊International of Heat and Mass Transfer, Applied Thermal Engineering, Journal of Nanoscience and Nanotechnology等杂志上发表了系列论文。

　　近年来，微尺度化工萃取与合成、能源转化、医药生产、机械工艺过程等等领域的迅速发展都对相应的尺度下能量、质量的输运提出了更高的要求。特别是在微尺度流动和换热系统当中，流体基本特性变化的时间和空间尺度都与宏观现象有较大区别。超临界流体是一种特殊的功能性流体，在接近临界点过程中其压缩系数会趋于发散，同时热扩散性会趋近于零值。这两个因子分别代表了流体可压缩性和热松弛特性,它们已被证明是超/近临界流体微小尺度流动换热的主要控制因子。事实上，超/近临界流体这些物性因子数的变化又对如温度压力等操作参数高度依赖，在临界区间产生了复杂的瞬态演化现象。

　　早在20世纪80年代中后期，欧洲航天部门在太空实验中发现超临界CO2流体异乎寻常的快速热松弛行为，而后在1990年由三个独立的研究小组从理论上加以分析确认，并称为活塞效应(Piston Effect)。张信荣">张信荣课题组首先通过对微通道内的超/近临界流体热边界层发展演化过程的动力学分析，在微尺度系统当中细致考虑了相应空间限制效应、微流体扰动特点、界面张力变化、尺度与连续性假设的适用性等等方面的变化对于超/近临界流体热松弛过程的影响，引入活塞效应(Piston Effect)到微尺度通道传热过程，并发现了微尺度超/近临界流体的瞬态涡流动现象，初步的理论分析结果发表在Phys. Rev. E 87, 043016 (2013)。

　　进一步，课题组从超/近临界流体边界层对流稳定性的角度，首次分析了开放通路系统中的超/近临界流体受到局部热扰动时，由于其极低的热扩散系数和较高的膨胀特性，从而迅速在热源附近建立薄热边界层以及发生失稳现象的热动力过程，从基本的微尺度热对流稳定性角度解释了上述的特殊涡流动现象。这一过程最终归结为经典的K-H不稳定性和R-T不稳定性在微尺度特殊流体方面的拓展。其要点在于超/近临界流体薄热边界层热声扰动过程(即对应Piston Effect)与重力的耦合作用，并且在不同时间尺度上又有不同的具体演化，相应的结果发表在Physica A 398 (2014) 10-24。

　　在以上工作的基础上，课题组又针对该种微尺度涡流动混合机理和多工况表现进行了系列的分析研究，给出了超/近临界流体微尺度热扰动混合过程特性参数，并指出了该种机理在超临界流体萃取、微尺度化工混合搅拌以及微流体热力学方面潜在的应用，相关的结果发表在Chem. Eng. Sci. 97 (2013) 67-80和J. Nanosci. Nanotech. 14 (2014) 1-8。以这些研究为基础，课题组还申请了国家发明专利(“一种基于超临界流体的微通道混合方法”，申请号2012105573068;公开号CN103007792 A)。同时，课题组还进一步深入到了微尺度超/近邻界流体传热这一领域，在复杂变物性流体传热过程和传热优化、考虑了活塞效应(Piston Effect)的传热过程与传统传热过程的异同、超/近临界流体微尺度换热自加速和自膨胀等现象等方面获得了一系列新的发现，这一方面初步的结果和总结发表在Appl. Therm. Eng. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2013.11.036以及《应用数学与力学》杂志(邀请论文， 2014年3月第3期，pp. 233-246)。

　　从传统的流体对流换热的角度看来，在微尺度通道内由于超/近临界流体物性变化，产生了一系列不同于传统流体的对流结构和松弛过程，也产生了新的挑战性课题。课题组近期的研究集中在进一步深化超/近临界流体微尺度流动动力学和传热机理方面，系列成果预期将促进超临界流体物理和热力过程产生新的理解，同时对微尺度流体理论和创新设计也期待有所促进。

　　张信荣">张信荣课题组主要致力于新型低品质热能源转换系统与技术、新型功能型流体材料的开发、微纳米相变传热、传热优化方法以及新型热力学循环构建等领域的研究工作。

　　该系列论文的第一作者为课题组博士生陈林。课题组系列研究工作得到国家自然科学基金、城市固体废弃物资源化技术与管理北京市重点实验室的资助。

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