近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)制及研究進(jìn)展

近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)制及研究進(jìn)展一、引言1.1研究背景與意義超臨界流體，是指處于臨界溫度（Tc）與臨界壓力（Pc）以上的特殊流體狀態(tài)。在這一狀態(tài)下，超臨界流體兼具氣體和液體的特性，密度與液體相近，使其具有良好的溶解能力；粘度卻與氣體類似，擁有出色的流動(dòng)性，擴(kuò)散系數(shù)則介于氣體和液體之間，具備良好的傳質(zhì)性能。這些獨(dú)特性質(zhì)，使得超臨界流體在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在能源領(lǐng)域，超臨界水和超臨界二氧化碳在發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。以超臨界水冷反應(yīng)堆為例，其利用超臨界水作為冷卻劑和慢化劑，相較于傳統(tǒng)水冷反應(yīng)堆，具有更高的熱效率和更緊湊的結(jié)構(gòu)。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)也備受關(guān)注，它能夠有效提高能源轉(zhuǎn)換效率，降低設(shè)備成本和占地面積。在石油開采行業(yè)，超臨界流體技術(shù)被用于提高原油采收率，通過(guò)注入超臨界二氧化碳，可降低原油粘度，增加原油流動(dòng)性，從而提高開采效率。在化工領(lǐng)域，超臨界流體可作為反應(yīng)介質(zhì)，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，提高反應(yīng)選擇性和產(chǎn)率。在制藥行業(yè)，超臨界流體萃取技術(shù)能夠高效提取天然藥物中的有效成分，且提取過(guò)程溫和，能保留藥物的生物活性。在材料科學(xué)領(lǐng)域，超臨界流體技術(shù)可用于制備納米材料、多孔材料等，改善材料的性能。然而，在超臨界流體的應(yīng)用過(guò)程中，傳熱惡化問(wèn)題嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的性能和安全運(yùn)行。傳熱惡化是指在特定條件下，超臨界流體與壁面之間的傳熱系數(shù)急劇下降，導(dǎo)致壁面溫度迅速升高的現(xiàn)象。這不僅會(huì)降低系統(tǒng)的傳熱效率，增加能源消耗，還可能引發(fā)設(shè)備的損壞，如管道過(guò)熱變形、破裂等，進(jìn)而威脅到整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在超臨界水冷反應(yīng)堆中，傳熱惡化可能導(dǎo)致燃料元件表面溫度過(guò)高，影響核燃料的性能，甚至引發(fā)安全事故。近壁邊界層在超臨界流體傳熱過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色。近壁邊界層是指流體在固體壁面附近形成的具有不同流體特性的薄層區(qū)域，其中流體的速度從固體表面的零值逐漸過(guò)渡到外部流場(chǎng)的自由流速度。在近壁邊界層內(nèi)，流體的速度、溫度和物性分布存在劇烈變化，這些變化對(duì)超臨界流體的傳熱惡化有著重要影響。研究近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)理，有助于深入理解超臨界流體的傳熱特性，為解決傳熱惡化問(wèn)題提供理論依據(jù)。通過(guò)揭示近壁邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱規(guī)律，可以優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，提高傳熱效率，降低壁面溫度，從而保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這對(duì)于推動(dòng)超臨界流體在能源、航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提高能源利用效率，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在超臨界流體傳熱惡化的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了豐碩的成果。早期的研究主要集中在對(duì)傳熱惡化現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究者們能夠更精確地測(cè)量超臨界流體在不同工況下的傳熱特性，為后續(xù)的理論分析和模型建立提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在理論研究方面，眾多學(xué)者提出了不同的理論模型來(lái)解釋傳熱惡化的機(jī)理。有學(xué)者基于能量守恒原理，分析了超臨界流體在傳熱過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程，認(rèn)為傳熱惡化是由于壁面附近的流體溫度梯度急劇變化，導(dǎo)致熱阻增大，從而引起傳熱系數(shù)下降。還有學(xué)者從流體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，研究了超臨界流體在管道內(nèi)的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)流體的湍流程度、流速分布等因素對(duì)傳熱惡化有著重要影響。在超臨界水冷反應(yīng)堆的研究中，通過(guò)建立三維的流體流動(dòng)和傳熱模型，模擬了超臨界水在反應(yīng)堆內(nèi)的流動(dòng)和傳熱過(guò)程，分析了不同工況下傳熱惡化的發(fā)生機(jī)制和影響因素。在實(shí)驗(yàn)研究方面，研究者們通過(guò)搭建各種實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)超臨界流體的傳熱惡化進(jìn)行了深入研究。一些實(shí)驗(yàn)采用了電加熱的方式，通過(guò)控制加熱功率和流體流量，研究了超臨界流體在不同熱流密度和質(zhì)量流速下的傳熱特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱流密度和質(zhì)量流速是影響傳熱惡化的關(guān)鍵因素，當(dāng)熱流密度超過(guò)一定值或質(zhì)量流速低于一定值時(shí)，傳熱惡化現(xiàn)象會(huì)顯著加劇。還有一些實(shí)驗(yàn)采用了激光測(cè)量技術(shù)，對(duì)超臨界流體在傳熱惡化過(guò)程中的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量，為深入理解傳熱惡化的微觀機(jī)理提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。近壁邊界層的研究同樣受到了廣泛關(guān)注。在近壁邊界層的流動(dòng)特性研究方面，學(xué)者們運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，對(duì)邊界層內(nèi)的速度分布、湍流結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了詳細(xì)研究。通過(guò)數(shù)值模擬，能夠精確地計(jì)算出邊界層內(nèi)的流場(chǎng)信息，揭示了邊界層內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律和湍流特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量則采用了粒子圖像測(cè)速（PIV）等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)邊界層內(nèi)的速度場(chǎng)進(jìn)行了直接測(cè)量，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，近壁邊界層內(nèi)存在著復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)，如發(fā)卡渦、猝發(fā)等現(xiàn)象，這些結(jié)構(gòu)對(duì)流體的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程有著重要影響。在近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響研究方面，一些學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了邊界層內(nèi)的溫度分布、物性變化等因素對(duì)傳熱惡化的影響。研究表明，邊界層內(nèi)的溫度梯度和物性變化會(huì)導(dǎo)致熱阻增加，從而引發(fā)傳熱惡化。邊界層內(nèi)的流體物性在擬臨界點(diǎn)附近會(huì)發(fā)生劇烈變化，這種變化會(huì)影響流體的傳熱性能，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱惡化的發(fā)生。還有學(xué)者研究了邊界層厚度、壁面粗糙度等因素對(duì)傳熱惡化的影響，發(fā)現(xiàn)邊界層厚度的增加和壁面粗糙度的增大都會(huì)加劇傳熱惡化現(xiàn)象。盡管國(guó)內(nèi)外在超臨界流體傳熱惡化以及近壁邊界層的研究方面取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在傳熱惡化的理論模型方面，現(xiàn)有的模型大多是基于特定的實(shí)驗(yàn)條件和假設(shè)建立的，缺乏普適性，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同工況下的傳熱惡化現(xiàn)象。在近壁邊界層的研究中，對(duì)于邊界層內(nèi)復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)和非平衡態(tài)特性的認(rèn)識(shí)還不夠深入，需要進(jìn)一步開展研究。在實(shí)驗(yàn)研究方面，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，一些關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量精度還不夠高，這也限制了對(duì)傳熱惡化機(jī)理的深入理解。本文旨在深入研究近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)理，通過(guò)綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等方法，揭示近壁邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性，以及這些特性對(duì)傳熱惡化的影響規(guī)律，為解決超臨界流體傳熱惡化問(wèn)題提供更全面、深入的理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容近壁邊界層特性分析：運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬手段，深入探究超臨界流體在不同工況下近壁邊界層的流動(dòng)特性，包括速度分布、湍流強(qiáng)度、湍流結(jié)構(gòu)等，以及傳熱特性，如溫度分布、熱流密度分布等。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，分析邊界層內(nèi)流體的動(dòng)量、能量和質(zhì)量傳輸過(guò)程，揭示近壁邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱規(guī)律。研究不同工況參數(shù)，如壓力、溫度、質(zhì)量流速、熱流密度等，對(duì)近壁邊界層特性的影響，明確各參數(shù)的作用機(jī)制和影響程度。傳熱惡化現(xiàn)象研究：對(duì)超臨界流體傳熱惡化現(xiàn)象展開全面研究，詳細(xì)分析傳熱惡化的發(fā)生過(guò)程、發(fā)展機(jī)制以及影響因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬，獲取傳熱惡化過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)變化，如壁面溫度、傳熱系數(shù)、流體物性等，深入剖析傳熱惡化的發(fā)生機(jī)理。研究不同工況條件下傳熱惡化的發(fā)生規(guī)律，包括傳熱惡化的起始點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為傳熱惡化的預(yù)測(cè)和控制提供依據(jù)。近壁邊界層對(duì)傳熱惡化的影響機(jī)理研究：重點(diǎn)研究近壁邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)理。分析邊界層內(nèi)的速度分布、溫度分布、物性變化等因素如何影響流體與壁面之間的傳熱過(guò)程，揭示傳熱惡化的內(nèi)在機(jī)制。研究邊界層厚度、壁面粗糙度等因素對(duì)傳熱惡化的影響，明確這些因素在傳熱惡化過(guò)程中的作用方式和影響程度。通過(guò)建立物理模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)近壁邊界層對(duì)傳熱惡化的影響進(jìn)行定量分析，為傳熱惡化的預(yù)測(cè)和控制提供理論支持。傳熱惡化預(yù)測(cè)模型的建立與驗(yàn)證：基于對(duì)近壁邊界層特性和傳熱惡化機(jī)理的研究，建立超臨界流體傳熱惡化的預(yù)測(cè)模型。綜合考慮邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性、流體物性變化以及工況參數(shù)等因素，采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)建立的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)與現(xiàn)有預(yù)測(cè)模型的對(duì)比分析，評(píng)估所建模型的優(yōu)勢(shì)和不足，為超臨界流體傳熱惡化的預(yù)測(cè)提供更有效的工具。1.3.2研究方法理論分析：依據(jù)流體力學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)理論，建立超臨界流體在近壁邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱模型。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)模型進(jìn)行求解，分析邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性，以及這些特性對(duì)傳熱惡化的影響機(jī)理。通過(guò)理論分析，揭示超臨界流體傳熱惡化的本質(zhì)原因，為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。推導(dǎo)邊界層內(nèi)的動(dòng)量方程、能量方程和連續(xù)性方程，結(jié)合合適的邊界條件，求解邊界層內(nèi)的速度分布、溫度分布和物性變化。運(yùn)用相似理論和量綱分析方法，對(duì)超臨界流體的傳熱特性進(jìn)行分析，建立無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)之間的關(guān)聯(lián)式，為傳熱惡化的預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。數(shù)值模擬：采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)超臨界流體在管道內(nèi)的流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)建立合理的物理模型和數(shù)學(xué)模型，設(shè)置準(zhǔn)確的邊界條件和物性參數(shù)，模擬不同工況下超臨界流體的流動(dòng)和傳熱特性，以及傳熱惡化現(xiàn)象。利用數(shù)值模擬結(jié)果，深入分析近壁邊界層對(duì)傳熱惡化的影響機(jī)理，為實(shí)驗(yàn)研究提供參考。選擇合適的湍流模型，如k-ωSST模型、LES模型等，對(duì)超臨界流體的湍流流動(dòng)進(jìn)行模擬，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)邊界層內(nèi)的湍流特性。通過(guò)數(shù)值模擬，研究不同工況參數(shù)對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響，優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究：搭建超臨界流體傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展超臨界流體在不同工況下的傳熱實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量壁面溫度、流體溫度、熱流密度、質(zhì)量流速等參數(shù)，獲取超臨界流體的傳熱特性數(shù)據(jù)，觀察傳熱惡化現(xiàn)象的發(fā)生過(guò)程。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，為傳熱惡化的研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。采用高精度的測(cè)量?jī)x器，如熱電偶、熱流計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)工況，如壓力、溫度、質(zhì)量流速、熱流密度等，研究不同因素對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響，總結(jié)傳熱惡化的發(fā)生規(guī)律。二、超臨界流體與近壁邊界層基礎(chǔ)理論2.1超臨界流體特性2.1.1超臨界狀態(tài)定義與判定超臨界流體，是指處于臨界溫度（Tc）與臨界壓力（Pc）以上的特殊流體狀態(tài)。當(dāng)物質(zhì)的溫度高于臨界溫度時(shí)，無(wú)論施加多大壓力，都無(wú)法使其從氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵欢谂R界溫度下，氣體能夠被液化的最低壓力即為臨界壓力。以水為例，其臨界溫度為374.3℃，臨界壓力為22.05MPa，當(dāng)水的溫度和壓強(qiáng)升高到該臨界點(diǎn)以上時(shí)，就會(huì)處于超臨界態(tài)，此時(shí)的水被稱為超臨界水。在相圖中，超臨界狀態(tài)位于氣液共存曲線的終點(diǎn)，即臨界點(diǎn)之上的高溫高壓區(qū)域。在臨界點(diǎn)處，氣液兩相的密度相等，界面消失，物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生突變。當(dāng)物質(zhì)處于超臨界狀態(tài)時(shí)，其具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，如密度、粘度、擴(kuò)散系數(shù)等物性隨溫度和壓力變化十分敏感，這些性質(zhì)既不同于氣態(tài)，也不同于液態(tài)，而是兼具兩者的部分特性。判定物質(zhì)是否處于超臨界狀態(tài)，主要依據(jù)其溫度和壓力是否超過(guò)臨界溫度和臨界壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量或查閱相關(guān)物性數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)獲取物質(zhì)的臨界參數(shù)。利用高精度的壓力傳感器和溫度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量流體的壓力和溫度，并與已知的臨界參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而判斷流體是否處于超臨界狀態(tài)。還可以通過(guò)計(jì)算流體的對(duì)比溫度（Tr=T/Tc）和對(duì)比壓力（Pr=P/Pc），當(dāng)Tr>1且Pr>1時(shí)，物質(zhì)處于超臨界狀態(tài)。2.1.2超臨界流體的特殊性質(zhì)超臨界流體的密度與溫度和壓力密切相關(guān)。在臨界點(diǎn)附近，壓力和溫度的微小變化，都能引起超臨界流體密度的顯著改變。當(dāng)溫度升高時(shí)，超臨界流體的密度減小；當(dāng)壓力增大時(shí)，密度則增大。在超臨界二氧化碳中，當(dāng)壓力一定時(shí)，溫度從31.1℃升高到40℃，其密度會(huì)從約400kg/m3減小到約300kg/m3；而當(dāng)溫度一定時(shí)，壓力從7.38MPa增大到10MPa，密度則會(huì)從約400kg/m3增大到約500kg/m3。這種密度的可調(diào)節(jié)性，使得超臨界流體在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在超臨界流體萃取中，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力和溫度來(lái)改變超臨界流體的密度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的選擇性溶解和分離。超臨界流體的粘度與氣體相近，比液體小約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得超臨界流體在流動(dòng)過(guò)程中具有較小的阻力，能夠快速地在管道或設(shè)備中傳輸。超臨界二氧化碳的粘度在0.01-0.03mPa?s之間，遠(yuǎn)小于水的粘度（約1mPa?s）。較小的粘度賦予了超臨界流體良好的流動(dòng)性，使其在傳熱和傳質(zhì)過(guò)程中能夠迅速地與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，提高了過(guò)程的效率。在超臨界流體傳熱過(guò)程中，較小的粘度有助于減少流體在管道內(nèi)的流動(dòng)阻力，降低能耗，同時(shí)也能加快熱量的傳遞速度，提高傳熱效率。超臨界流體的擴(kuò)散系數(shù)介于氣體和液體之間，比液體大1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著超臨界流體在傳質(zhì)過(guò)程中具有更快的擴(kuò)散速度，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的傳遞和混合。超臨界二氧化碳的擴(kuò)散系數(shù)約為1×10??-1×10??m2/s，而水的擴(kuò)散系數(shù)約為1×10??m2/s。較大的擴(kuò)散系數(shù)使得超臨界流體在化學(xué)反應(yīng)中能夠快速地將反應(yīng)物輸送到反應(yīng)區(qū)域，提高反應(yīng)速率；在萃取過(guò)程中，能夠更快地溶解目標(biāo)物質(zhì)，提高萃取效率。在超臨界流體萃取天然藥物有效成分時(shí)，較大的擴(kuò)散系數(shù)使得超臨界流體能夠迅速地滲透到藥物顆粒內(nèi)部，與有效成分充分接觸并將其溶解，從而提高萃取效率和純度。這些特殊性質(zhì)對(duì)超臨界流體的傳熱過(guò)程產(chǎn)生了重要影響。密度的變化會(huì)影響流體的比熱容和熱導(dǎo)率，從而改變傳熱過(guò)程中的熱量傳遞能力。粘度的大小則直接影響流體的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱系數(shù)，較小的粘度有利于形成湍流，增強(qiáng)傳熱效果。擴(kuò)散系數(shù)的增大有助于提高物質(zhì)的傳遞速度，促進(jìn)熱量的傳遞和混合，進(jìn)一步影響傳熱過(guò)程的效率和穩(wěn)定性。在超臨界流體的傳熱過(guò)程中，由于密度和粘度的變化，可能會(huì)導(dǎo)致邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性發(fā)生改變，進(jìn)而影響整個(gè)傳熱過(guò)程的性能。2.2近壁邊界層理論2.2.1邊界層的形成與發(fā)展當(dāng)流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，由于流體具有粘性，與壁面直接接觸的流體分子會(huì)粘附在壁面上，其速度為零。隨著與壁面距離的增加，流體速度逐漸增大，在壁面附近形成一個(gè)速度梯度較大的薄層，這就是邊界層。在邊界層的起始階段，流體的流動(dòng)狀態(tài)通常為層流，此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)沿著平行于壁面的方向作規(guī)則的分層流動(dòng)，層與層之間互不摻混。隨著流體沿壁面的流動(dòng)，邊界層逐漸增厚。當(dāng)邊界層內(nèi)的雷諾數(shù)（Re）達(dá)到一定值時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)會(huì)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌＠字Z數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，用于表征流體流動(dòng)狀態(tài)，其計(jì)算公式為Re=ρvL/μ，其中ρ為流體密度，v為流體速度，L為特征長(zhǎng)度（如管道直徑），μ為流體的動(dòng)力粘度。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，粘性力對(duì)流體流動(dòng)起主導(dǎo)作用，流動(dòng)為層流；當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，慣性力起主導(dǎo)作用，流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌Ｔ诹鲃?dòng)方向上，邊界層的發(fā)展可分為三個(gè)階段：層流邊界層階段、過(guò)渡階段和湍流邊界層階段。在層流邊界層階段，邊界層厚度較薄，速度分布呈拋物線型，流體的傳熱主要依靠分子熱傳導(dǎo)。隨著邊界層的發(fā)展，流體內(nèi)的擾動(dòng)逐漸增大，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到臨界值時(shí)，進(jìn)入過(guò)渡階段，此時(shí)層流和湍流同時(shí)存在，流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定。當(dāng)雷諾數(shù)進(jìn)一步增大，超過(guò)過(guò)渡階段的范圍后，邊界層完全發(fā)展為湍流邊界層。在湍流邊界層中，流體質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，形成各種大小不同的漩渦，大大增強(qiáng)了流體的混合和傳熱傳質(zhì)能力。除了速度邊界層，還有熱邊界層和濃度邊界層。熱邊界層是指當(dāng)流體與壁面存在溫度差時(shí)，在壁面附近形成的以溫度急劇變化為特征的流體薄層。在熱邊界層內(nèi)，溫度梯度較大，熱量傳遞主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行。熱邊界層的厚度定義為流體與壁面的溫度差達(dá)到流體主體與壁面溫度差的99%處到壁面的距離。濃度邊界層則是當(dāng)某組分在流體中的濃度與固體壁面的濃度存在差異時(shí)，在壁面垂直方向上的流體內(nèi)部形成的具有濃度梯度的流體薄層。濃度邊界層的厚度定義為某組分在邊界層外邊界處的濃度與主體濃度之差達(dá)到主體濃度與壁面濃度之差的99%處到壁面的距離。速度邊界層、熱邊界層和濃度邊界層的厚度之比與普朗特?cái)?shù)（Pr）和施密特?cái)?shù)（Sc）有關(guān)。普朗特?cái)?shù)定義為Pr=μcp/λ，其中μ為動(dòng)力粘滯系數(shù)，cp為定壓比熱，λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)，它反映了流體中動(dòng)量擴(kuò)散和熱量擴(kuò)散的相對(duì)大小。施密特?cái)?shù)定義為Sc=μ/ρD，其中D為擴(kuò)散系數(shù)，它反映了流體中動(dòng)量擴(kuò)散和質(zhì)量擴(kuò)散的相對(duì)大小。當(dāng)Pr=1時(shí)，速度邊界層和熱邊界層的厚度相等；當(dāng)Sc=1時(shí)，速度邊界層和濃度邊界層的厚度相等。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的流體和工況條件下，這三種邊界層的厚度關(guān)系會(huì)有所不同，對(duì)超臨界流體的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生重要影響。2.2.2近壁邊界層的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)近壁邊界層內(nèi)可分為粘性底層、緩沖層和完全湍流層三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域具有不同的結(jié)構(gòu)和特征。粘性底層是緊貼固體壁面的極薄流體層，厚度約為邊界層平均總厚度的0.2%。在粘性底層中，流體的流動(dòng)主要受粘性力的支配，分子粘性切應(yīng)力遠(yuǎn)大于湍流切應(yīng)力。由于流體與壁面的粘附作用，速度從壁面處的零值迅速增大，速度分布近似呈線性變化，因此粘性底層也稱為線性底層。在粘性底層中，熱量傳遞主要依靠分子熱傳導(dǎo)，由于其厚度極薄，熱阻較大，對(duì)整個(gè)傳熱過(guò)程有著重要影響。緩沖層位于粘性底層和完全湍流層之間，是一個(gè)過(guò)渡區(qū)域。在緩沖層中，分子粘性切應(yīng)力和湍流切應(yīng)力都不能忽略，兩者的作用程度相當(dāng)。隨著與壁面距離的增加，湍流切應(yīng)力逐漸增大，分子粘性切應(yīng)力逐漸減小。緩沖層內(nèi)的速度分布不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是介于粘性底層的線性分布和完全湍流層的對(duì)數(shù)分布之間。緩沖層的存在使得邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性從粘性底層的主導(dǎo)逐漸過(guò)渡到完全湍流層的主導(dǎo)。完全湍流層是邊界層中最外層的區(qū)域，流動(dòng)呈完全湍流狀態(tài)。在完全湍流層中，分子粘性切應(yīng)力相比湍流切應(yīng)力可以忽略不計(jì)，慣性力起主導(dǎo)作用。流體質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，形成各種大小不同的漩渦，這些漩渦的存在極大地增強(qiáng)了流體的混合和傳熱傳質(zhì)能力。完全湍流層內(nèi)的速度分布符合對(duì)數(shù)律，即u+=1/klny++B，其中u+為無(wú)量綱速度，y+為無(wú)量綱距離，k為卡門常數(shù)（約為0.40），B為常數(shù)（約為5.5）。在完全湍流層中，熱量傳遞主要依靠湍流擴(kuò)散，傳熱效率較高。各層內(nèi)流體的速度和溫度分布規(guī)律具有明顯差異。在粘性底層，速度隨與壁面距離的增加而線性增加，溫度分布也較為均勻，主要通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞熱量。在緩沖層，速度分布逐漸偏離線性，溫度分布開始出現(xiàn)一定的梯度，熱傳導(dǎo)和對(duì)流同時(shí)起作用。在完全湍流層，速度分布符合對(duì)數(shù)律，溫度分布受到湍流混合的強(qiáng)烈影響，呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)和梯度，傳熱主要依靠湍流對(duì)流。這些速度和溫度分布規(guī)律的不同，導(dǎo)致了近壁邊界層內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程的復(fù)雜性，對(duì)超臨界流體的傳熱惡化有著重要的影響。2.2.3邊界層相關(guān)參數(shù)及物理意義與邊界層相關(guān)的參數(shù)眾多，其中雷諾數(shù)（Re）和普朗特?cái)?shù)（Pr）是兩個(gè)重要的無(wú)量綱參數(shù)，它們?cè)诒碚鬟吔鐚犹匦院蛡鳠醾髻|(zhì)過(guò)程中具有重要的物理意義。雷諾數(shù)（Re）在前面已經(jīng)提及，它是用來(lái)表征流體流動(dòng)狀態(tài)的無(wú)量綱數(shù)，計(jì)算公式為Re=ρvL/μ。雷諾數(shù)反映了流體流動(dòng)中慣性力與粘性力的相對(duì)大小。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，粘性力占主導(dǎo)地位，流體流動(dòng)較為平穩(wěn)，呈層流狀態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，慣性力占主導(dǎo)地位，流體流動(dòng)變得不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生湍流。在邊界層中，雷諾數(shù)決定了邊界層的流動(dòng)狀態(tài)和發(fā)展過(guò)程。當(dāng)流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，邊界層內(nèi)的雷諾數(shù)會(huì)隨著與壁面距離的增加和流體流動(dòng)距離的增加而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致邊界層從層流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。在管道流?dòng)中，當(dāng)雷諾數(shù)低于2000時(shí)，流體流動(dòng)通常為層流；當(dāng)雷諾數(shù)高于4000時(shí)，流動(dòng)為湍流；在2000-4000之間，流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，可能是層流也可能是湍流。普朗特?cái)?shù)（Pr）定義為Pr=μcp/λ，它描述了流體中能量和動(dòng)量遷移過(guò)程的相互關(guān)系。其中，μ是動(dòng)力粘滯系數(shù)，表示流體內(nèi)部摩擦的大?。籧p是定壓比熱，單位質(zhì)量流體在恒壓下升高單位溫度所需的熱量；λ是熱傳導(dǎo)系數(shù)，表示流體傳導(dǎo)熱量的能力。普朗特?cái)?shù)反映了流體的動(dòng)量擴(kuò)散能力和熱量擴(kuò)散能力的相對(duì)大小。當(dāng)Pr值較小時(shí)，說(shuō)明流體的熱傳導(dǎo)能力相對(duì)較強(qiáng)，動(dòng)量擴(kuò)散相對(duì)較弱，此時(shí)熱邊界層厚度相對(duì)較大，速度邊界層厚度相對(duì)較小；當(dāng)Pr值較大時(shí)，表明流體的動(dòng)量擴(kuò)散能力相對(duì)較強(qiáng)，熱量擴(kuò)散相對(duì)較弱，速度邊界層厚度相對(duì)較大，熱邊界層厚度相對(duì)較小。在超臨界流體中，普朗特?cái)?shù)會(huì)隨著溫度和壓力的變化而發(fā)生顯著變化，特別是在擬臨界點(diǎn)附近，普朗特?cái)?shù)的變化會(huì)對(duì)邊界層內(nèi)的傳熱特性產(chǎn)生重要影響。除了雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)，還有一些其他的無(wú)量綱參數(shù)也與邊界層的傳熱傳質(zhì)過(guò)程密切相關(guān)。努塞爾數(shù)（Nu）用于描述流體邊界處對(duì)流和傳導(dǎo)的相對(duì)重要性，定義為Nu=hL/k，其中h是對(duì)流熱傳遞系數(shù)，表示流體通過(guò)對(duì)流方式傳遞熱量的能力；L是特征長(zhǎng)度；k是熱傳導(dǎo)系數(shù)。努塞爾數(shù)越大，說(shuō)明對(duì)流換熱越強(qiáng)，相對(duì)于熱傳導(dǎo)，對(duì)流在熱量傳遞過(guò)程中起主導(dǎo)作用。在邊界層的傳熱分析中，努塞爾數(shù)常被用于關(guān)聯(lián)對(duì)流換熱系數(shù)與其他參數(shù)之間的關(guān)系，從而建立傳熱模型。格拉曉夫數(shù)（Gr）也是一個(gè)重要的無(wú)量綱參數(shù)，它反映了自然對(duì)流中浮升力與粘性力的相對(duì)大小，計(jì)算公式為Gr=gβΔTL3/v2，其中g(shù)是重力加速度，β是流體的體積膨脹系數(shù)，ΔT是溫度差，L是特征長(zhǎng)度，v是運(yùn)動(dòng)粘度。在自然對(duì)流主導(dǎo)的邊界層傳熱過(guò)程中，格拉曉夫數(shù)對(duì)傳熱特性有著重要影響。當(dāng)格拉曉夫數(shù)較大時(shí)，浮升力起主導(dǎo)作用，自然對(duì)流較強(qiáng)；當(dāng)格拉曉夫數(shù)較小時(shí)，粘性力起主導(dǎo)作用，自然對(duì)流較弱。這些無(wú)量綱參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同影響著超臨界流體近壁邊界層的流動(dòng)和傳熱特性。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析和研究，可以深入理解邊界層內(nèi)的物理過(guò)程，為超臨界流體傳熱惡化的研究提供理論基礎(chǔ)。三、超臨界流體傳熱惡化現(xiàn)象及影響因素3.1傳熱惡化的定義與現(xiàn)象傳熱惡化，是指在特定工況下，超臨界流體與壁面之間的對(duì)流換熱系數(shù)突然急劇減小，導(dǎo)致壁面與流體之間的換熱量大幅減少（對(duì)于恒壁溫系統(tǒng)）或壁面溫度急劇升高（對(duì)恒熱流系統(tǒng)）的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了超臨界流體系統(tǒng)的傳熱性能和安全運(yùn)行。在超臨界流體的傳熱過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生傳熱惡化時(shí)，最顯著的現(xiàn)象就是對(duì)流換熱系數(shù)急劇減小。對(duì)流換熱系數(shù)是衡量流體與壁面之間換熱能力的重要指標(biāo)，其值的大小直接影響著傳熱效率。當(dāng)傳熱惡化發(fā)生時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)可能會(huì)降低數(shù)倍甚至數(shù)十倍，使得熱量難以從壁面?zhèn)鬟f到流體中，從而導(dǎo)致壁面溫度迅速升高。在超臨界水冷反應(yīng)堆中，正常運(yùn)行時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)可能在數(shù)千瓦每平方米開爾文（W/(m2?K)），但在傳熱惡化發(fā)生時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)可能會(huì)降至幾百瓦每平方米開爾文，甚至更低。壁面溫度的升高是傳熱惡化的另一個(gè)重要表現(xiàn)。由于對(duì)流換熱系數(shù)的減小，壁面與流體之間的換熱能力下降，壁面吸收的熱量無(wú)法及時(shí)傳遞給流體，導(dǎo)致壁面溫度不斷上升。壁面溫度的升高可能會(huì)超過(guò)材料的許用溫度，從而引發(fā)材料的性能劣化、變形甚至損壞，嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生傳熱惡化時(shí)，換熱器壁面溫度可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)升高數(shù)百度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的設(shè)計(jì)溫度，這對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成了極大的威脅。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際案例充分驗(yàn)證了超臨界流體傳熱惡化時(shí)的這些現(xiàn)象。通過(guò)在超臨界流體傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，研究人員精確測(cè)量了不同工況下超臨界流體的傳熱特性。在熱流密度為500kW/m2、質(zhì)量流速為500kg/(m2?s)的條件下，對(duì)超臨界二氧化碳進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，當(dāng)流體溫度接近擬臨界溫度時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)急劇下降，從初始的約1000W/(m2?K)降至不足200W/(m2?K)，同時(shí)壁面溫度迅速升高，在短短幾分鐘內(nèi)升高了50℃以上。在實(shí)際工程應(yīng)用中，也有許多因傳熱惡化導(dǎo)致設(shè)備故障的案例。某超臨界水冷反應(yīng)堆在運(yùn)行過(guò)程中，由于熱流密度過(guò)高和質(zhì)量流速過(guò)低，發(fā)生了傳熱惡化現(xiàn)象。壁面溫度急劇升高，導(dǎo)致燃料元件表面的包殼材料發(fā)生變形和破裂，進(jìn)而影響了反應(yīng)堆的正常運(yùn)行，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。還有某超臨界二氧化碳發(fā)電裝置，在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了傳熱惡化問(wèn)題，使得換熱器的換熱效率大幅下降，系統(tǒng)的發(fā)電功率無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備的檢修和運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，才解決了這一問(wèn)題。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際案例表明，傳熱惡化是超臨界流體傳熱過(guò)程中一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，其對(duì)系統(tǒng)的性能和安全運(yùn)行有著重大影響。深入研究傳熱惡化的現(xiàn)象和機(jī)理，對(duì)于保障超臨界流體系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。3.2傳熱惡化的分類及特點(diǎn)3.2.1第一類傳熱危機(jī)（偏離核態(tài)沸騰）第一類傳熱危機(jī)，又稱為偏離核態(tài)沸騰（DeparturefromNucleateBoiling，DNB）。在核態(tài)沸騰階段，當(dāng)熱流密度達(dá)到一定程度時(shí)，壁面產(chǎn)生的氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡的脫離速度跟不上產(chǎn)生速度，導(dǎo)致氣泡在壁面附近聚并形成一層連續(xù)的蒸汽膜。這層蒸汽膜將壁面與液體隔開，由于蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于液體，使得壁面與液體之間的換熱受到極大阻礙，對(duì)流換熱系數(shù)急劇下降，從而引發(fā)傳熱惡化，出現(xiàn)壁面超溫現(xiàn)象，這就是第一類傳熱危機(jī)。第一類傳熱危機(jī)通常發(fā)生在過(guò)冷和低干度區(qū)，此時(shí)邊界層內(nèi)的傳熱與容積沸騰相近，主流液體對(duì)壁面?zhèn)鳠岬挠绊戄^小，因此也被稱為主流隔絕工況。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，這種傳熱惡化的發(fā)生機(jī)制與容積沸騰相似，主要是由于氣泡產(chǎn)生速率超過(guò)其脫離速率，進(jìn)而導(dǎo)致氣泡聚并造成的，這是典型的膜態(tài)沸騰。在超臨界水的加熱過(guò)程中，當(dāng)熱流密度超過(guò)某一臨界值時(shí)，壁面會(huì)迅速被蒸汽膜覆蓋，傳熱系數(shù)大幅下降，壁面溫度急劇升高。造成氣膜形成的主要原因是熱流密度過(guò)高。當(dāng)熱流密度增大時(shí)，壁面處的液體獲得更多的能量，氣泡生成速率加快，更容易形成連續(xù)的蒸汽膜。在超臨界二氧化碳的傳熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)熱流密度從200kW/m2增加到300kW/m2時(shí)，氣泡聚并現(xiàn)象明顯加劇，氣膜迅速形成，傳熱惡化現(xiàn)象更加顯著。由于工質(zhì)流動(dòng)對(duì)氣泡以及氣膜的形成有影響，發(fā)生傳熱惡化不再單純受亥姆霍茲不穩(wěn)定性和泰勒不穩(wěn)定性的制約，還要考慮工質(zhì)流動(dòng)的影響。在管內(nèi)流動(dòng)的超臨界流體中，流體的流速、流態(tài)等因素都會(huì)影響氣泡的運(yùn)動(dòng)和聚并。當(dāng)流速較高時(shí)，流體的剪切力會(huì)對(duì)氣泡的聚并產(chǎn)生阻礙作用，但同時(shí)也可能使氣泡更容易被攜帶到下游，在下游壁面附近聚集，從而影響傳熱惡化的發(fā)生位置和程度。與容積沸騰相比，流動(dòng)沸騰的臨界熱流密度更大，這是因?yàn)楣べ|(zhì)的流動(dòng)能夠在一定程度上延緩氣泡的聚并和蒸汽膜的形成。除了主流觀點(diǎn)認(rèn)為的氣泡聚并形成氣膜導(dǎo)致傳熱惡化外，還有其他觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，氣泡并未合并成氣膜，管子上游產(chǎn)生的氣泡脫離壁面后如果沒(méi)有被主流過(guò)冷液體冷卻消失，則在主流液相流動(dòng)的作用下，氣泡在下游的壁面附近富集，進(jìn)而形成氣泡各自獨(dú)立的氣泡云層。這層氣泡云層阻礙了液相與壁面的接近，在高熱流密度下，對(duì)壁面的有效冷卻效果很差，從而導(dǎo)致傳熱惡化。氣泡群的形成受上游流動(dòng)加熱的影響，因此發(fā)生傳熱惡化是歷史積累效應(yīng)。在超臨界流體的管道流動(dòng)中，上游的加熱段會(huì)使流體產(chǎn)生氣泡，這些氣泡隨著流體流動(dòng)到下游，在下游壁面附近聚集形成氣泡云層，當(dāng)熱流密度較高時(shí)，就會(huì)引發(fā)傳熱惡化。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在流動(dòng)中，由于流型的轉(zhuǎn)變形成大的氣塞，充塞管子使邊界層局部變薄，即使熱流密度不大，也會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化。這一現(xiàn)象易于出現(xiàn)在垂直方向管子的轉(zhuǎn)彎處。在垂直上升的管道中，當(dāng)流體流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處時(shí)，流型可能會(huì)發(fā)生突然變化，形成氣塞，氣塞的存在會(huì)使邊界層局部變薄，熱量傳遞受阻，從而導(dǎo)致傳熱惡化。一般來(lái)說(shuō)，第一類傳熱危機(jī)將會(huì)導(dǎo)致燒毀，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。對(duì)這類傳熱惡化起決定性影響的參數(shù)是受熱面的熱流密度，轉(zhuǎn)入傳熱惡化區(qū)的極限熱流密度稱為臨界熱流密度。當(dāng)熱流密度超過(guò)臨界熱流密度時(shí)，第一類傳熱危機(jī)很可能發(fā)生，因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)臨界熱流密度對(duì)于防止第一類傳熱危機(jī)的發(fā)生至關(guān)重要。許多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，建立了各種預(yù)測(cè)臨界熱流密度的模型，如基于經(jīng)驗(yàn)公式的模型、基于機(jī)理分析的模型等，但這些模型都有一定的局限性，需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。3.2.2第二類傳熱危機(jī)（蒸干）第二類傳熱危機(jī)，也稱為蒸干（Dry-out）。在蒸干過(guò)程中，隨著工質(zhì)中蒸氣干度的逐漸提高，在受熱管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀流動(dòng)。在環(huán)狀流動(dòng)狀態(tài)下，氣相比容大，氣相速度顯著大于液膜速度，氣相會(huì)對(duì)液膜形成剪應(yīng)力。液膜表面在剪應(yīng)力的作用下出現(xiàn)波浪，部分液體被高速氣流撕裂形成液滴并進(jìn)入氣相。與此同時(shí)，隨著管長(zhǎng)方向的受熱，液膜的厚度及液膜中氣相攜帶的液滴質(zhì)量也在逐漸減小。當(dāng)液膜因蒸發(fā)或被撕裂而部分或完全消失時(shí)，壁面就直接與蒸汽接觸，失去了液體的冷卻，從而導(dǎo)致傳熱惡化，壁溫會(huì)突然升高，這類傳熱惡化稱為第二類傳熱危機(jī)。這種傳熱惡化不單純?nèi)Q于熱流密度的大小，更主要取決于兩相流干度的大小。在蒸氣發(fā)生設(shè)備內(nèi)，隨著蒸氣干度的不斷提高，液膜的穩(wěn)定性逐漸降低，更容易發(fā)生蒸干現(xiàn)象。在超臨界水的蒸發(fā)過(guò)程中，當(dāng)蒸氣干度達(dá)到一定值時(shí)，液膜會(huì)迅速變薄并最終消失，壁面溫度急劇上升。流速對(duì)蒸干現(xiàn)象也有重要影響。流速越高，液膜被撕扯碎裂的概率越大，越容易發(fā)生蒸干。在超臨界二氧化碳的傳熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)流速?gòu)?m/s增加到2m/s時(shí)，液膜被撕裂的程度明顯加劇，蒸干現(xiàn)象更容易發(fā)生。這是因?yàn)檩^高的流速會(huì)使氣相與液膜之間的相對(duì)速度增大，剪應(yīng)力增大，從而更容易將液膜撕裂。由于這類傳熱惡化更主要地受工質(zhì)流速的影響，所以又稱為主流控制工況。大量的研究表明，蒸干現(xiàn)象可以在很寬廣的蒸氣干度范圍內(nèi)發(fā)生，并且受熱流密度、工質(zhì)參數(shù)、質(zhì)量流速等多種因素影響。有關(guān)蒸干的物理模型較多，其中一種是當(dāng)液膜較厚時(shí)，液膜內(nèi)部貼近壁面處形成的氣膜導(dǎo)致的傳熱惡化，即環(huán)狀流早期液膜內(nèi)的偏離核態(tài)沸騰，一般發(fā)生在氣泡環(huán)狀流型，這種情況可按第一類傳熱危機(jī)處理。在氣泡環(huán)狀流型中，液膜內(nèi)部靠近壁面處由于熱量傳遞不均勻，可能會(huì)形成局部的氣膜，氣膜的存在阻礙了熱量從壁面?zhèn)鬟f到液膜，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱惡化。第二種模型是液膜都轉(zhuǎn)化為氣流中的大液滴，脫離壁面的液滴多于回?fù)舻奖诿娴囊旱危贡诿娴貌坏阶銐虻睦鋮s，這純粹是由流體動(dòng)力造成的。在高速氣流的作用下，液膜被完全撕裂成大液滴，這些液滴在氣流中運(yùn)動(dòng)，由于脫離壁面的液滴較多，而回?fù)舻奖诿娴囊旱屋^少，導(dǎo)致壁面無(wú)法得到充分的冷卻，從而引發(fā)傳熱惡化。第三種觀點(diǎn)是液膜逐漸被蒸干，最終使金屬裸露于氣相中，這是蒸發(fā)相變的必然結(jié)果，主要是熱流密度作用的結(jié)果。隨著熱流密度的增加，液膜的蒸發(fā)速度加快，當(dāng)液膜蒸發(fā)殆盡時(shí)，壁面就會(huì)直接暴露在氣相中，導(dǎo)致傳熱惡化。第四種觀點(diǎn)是由于氣相的速度和液膜的流速都很高，并且相間滑移速度很大，使液膜表面出現(xiàn)波浪，液膜更易被掠帶擊碎，造成大量液滴進(jìn)入氣流，局部液膜缺失，金屬壁面裸露。在這種情況下，氣相和液膜之間的劇烈相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得液膜表面的穩(wěn)定性受到極大破壞，液膜更容易被擊碎，從而導(dǎo)致局部液膜缺失，引發(fā)傳熱惡化。最后一種模型是由于液膜分布不對(duì)稱，局部液膜斷裂缺失。在實(shí)際的流動(dòng)過(guò)程中，由于管道的幾何形狀、壁面粗糙度等因素的影響，液膜在壁面上的分布可能不均勻，某些區(qū)域的液膜較薄，容易發(fā)生斷裂缺失，從而導(dǎo)致壁面失去冷卻，引發(fā)傳熱惡化。當(dāng)發(fā)生蒸干現(xiàn)象時(shí)，在不少情況下氣流中的液滴有可能潤(rùn)濕壁面。有些情況下，即使液滴不能潤(rùn)濕壁面，此時(shí)高蒸氣干度的兩相混合物的對(duì)流放熱系數(shù)也常常比發(fā)生第一類傳熱危機(jī)時(shí)的膜態(tài)沸騰傳熱系數(shù)要高。所以發(fā)生第二類傳熱危機(jī)時(shí)，壁溫升高現(xiàn)象不如發(fā)生第一類傳熱危機(jī)時(shí)劇烈。有時(shí)因?yàn)榇蟛糠止べ|(zhì)都已氣化，干度很大，氣相流速很高，傳熱能力增強(qiáng)，壁溫與工質(zhì)的溫差較小，壁面金屬可能不會(huì)超溫。但是如果由于工質(zhì)質(zhì)量流速很高，沖擊很強(qiáng)，較厚的液膜也會(huì)被撕破脫落，此時(shí)由于干度還不夠大，氣相流速較小，傳熱能力較不足，在一定的熱流密度下，也會(huì)造成金屬超溫。在超臨界水的蒸發(fā)過(guò)程中，當(dāng)質(zhì)量流速過(guò)高且干度不足時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)液膜被快速撕破，而氣相又無(wú)法提供足夠冷卻的情況，導(dǎo)致壁面溫度急劇升高，對(duì)設(shè)備造成損害。3.3影響超臨界流體傳熱惡化的因素3.3.1流體物性參數(shù)超臨界流體的物性參數(shù)在擬臨界溫度附近會(huì)發(fā)生劇烈變化，這些變化對(duì)傳熱惡化有著重要影響。在擬臨界溫度附近，超臨界流體的密度會(huì)發(fā)生顯著變化。當(dāng)溫度接近擬臨界溫度時(shí)，密度隨溫度的升高而急劇減小。以超臨界水為例，在壓力為25MPa時(shí)，溫度從380℃升高到390℃（接近擬臨界溫度374.3℃），密度可能會(huì)從約500kg/m3迅速減小到約300kg/m3。這種密度的急劇變化會(huì)影響流體的比熱容和熱導(dǎo)率。密度的減小會(huì)導(dǎo)致單位體積內(nèi)流體所攜帶的熱量減少，從而使比熱容減??；同時(shí)，密度的變化也會(huì)影響分子間的相互作用，進(jìn)而改變熱導(dǎo)率。在傳熱過(guò)程中，密度的變化會(huì)導(dǎo)致邊界層內(nèi)流體的熱物理性質(zhì)發(fā)生改變，影響熱量的傳遞能力。當(dāng)密度減小時(shí)，邊界層內(nèi)的熱阻增大，熱量傳遞困難，容易引發(fā)傳熱惡化。比熱容在擬臨界溫度附近也會(huì)出現(xiàn)峰值。在超臨界二氧化碳中，當(dāng)壓力為8MPa時(shí)，在擬臨界溫度31.1℃附近，比熱容會(huì)達(dá)到一個(gè)很高的值，然后隨著溫度的進(jìn)一步升高或降低而迅速減小。比熱容的峰值意味著在該溫度附近，流體吸收或釋放相同熱量時(shí)溫度變化較小。這會(huì)導(dǎo)致在傳熱過(guò)程中，邊界層內(nèi)的溫度分布發(fā)生變化，使得壁面與流體之間的溫差減小，傳熱驅(qū)動(dòng)力減弱。當(dāng)熱流密度較高時(shí)，這種傳熱驅(qū)動(dòng)力的減弱可能會(huì)導(dǎo)致傳熱惡化的發(fā)生。導(dǎo)熱系數(shù)同樣會(huì)在擬臨界溫度附近發(fā)生明顯變化。一般來(lái)說(shuō)，在接近擬臨界溫度時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)先增大后減小。在超臨界水的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，在壓力為24MPa時(shí)，隨著溫度接近擬臨界溫度，導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)逐漸增大，達(dá)到一個(gè)最大值后又開始減小。導(dǎo)熱系數(shù)的變化直接影響著熱量在流體中的傳導(dǎo)能力。在擬臨界溫度附近，導(dǎo)熱系數(shù)的減小會(huì)使熱量在邊界層內(nèi)的傳導(dǎo)受阻，導(dǎo)致壁面附近的熱量難以傳遞到主流流體中，從而使壁面溫度升高，引發(fā)傳熱惡化。這些物性參數(shù)的變化對(duì)傳熱惡化的影響是相互關(guān)聯(lián)的。密度的變化會(huì)影響比熱容和熱導(dǎo)率，而比熱容和熱導(dǎo)率的變化又會(huì)進(jìn)一步影響傳熱過(guò)程中的熱量傳遞和溫度分布。在超臨界流體的傳熱過(guò)程中，由于物性參數(shù)的劇烈變化，邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性變得十分復(fù)雜，容易出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制傳熱惡化，需要深入研究這些物性參數(shù)的變化規(guī)律及其對(duì)傳熱過(guò)程的影響機(jī)制。3.3.2流動(dòng)參數(shù)質(zhì)量流速、流速和流量等流動(dòng)參數(shù)對(duì)超臨界流體傳熱惡化有著重要影響。質(zhì)量流速是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的流體質(zhì)量，它對(duì)傳熱惡化起著關(guān)鍵作用。當(dāng)質(zhì)量流速較低時(shí)，流體攜帶熱量的能力較弱，邊界層內(nèi)的熱量難以被及時(shí)帶走，容易導(dǎo)致壁面溫度升高，從而引發(fā)傳熱惡化。在超臨界二氧化碳的傳熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)質(zhì)量流速?gòu)?00kg/(m2?s)降低到100kg/(m2?s)時(shí)，傳熱系數(shù)明顯下降，壁面溫度顯著升高，傳熱惡化現(xiàn)象加劇。這是因?yàn)橘|(zhì)量流速的降低使得單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)壁面的流體量減少，帶走的熱量也相應(yīng)減少，導(dǎo)致壁面附近的熱量積聚，熱阻增大，傳熱性能下降。流速的變化會(huì)直接影響液膜的穩(wěn)定性和傳熱效果。在超臨界流體的流動(dòng)過(guò)程中，液膜的穩(wěn)定性對(duì)于傳熱至關(guān)重要。當(dāng)流速較低時(shí)，液膜較厚且相對(duì)穩(wěn)定，傳熱主要通過(guò)液膜的熱傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行。隨著流速的增加，液膜受到的剪切力增大，液膜會(huì)逐漸變薄，穩(wěn)定性降低。當(dāng)流速超過(guò)一定值時(shí)，液膜可能會(huì)被撕裂成液滴，進(jìn)入氣相，導(dǎo)致壁面直接與氣相接觸，傳熱系數(shù)急劇下降，從而引發(fā)傳熱惡化。在超臨界水的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)流速?gòu)?m/s增加到3m/s時(shí)，液膜的厚度逐漸減小，液膜表面的波動(dòng)加劇，當(dāng)流速達(dá)到4m/s時(shí)，液膜開始出現(xiàn)破裂，傳熱惡化現(xiàn)象明顯。流量的變化與質(zhì)量流速和流速密切相關(guān)。流量的增加意味著單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道的流體量增多，這會(huì)使質(zhì)量流速和流速相應(yīng)增大。在一定范圍內(nèi)，流量的增加可以增強(qiáng)流體的傳熱能力，抑制傳熱惡化的發(fā)生。當(dāng)流量過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)的壓力損失增加，能耗增大，同時(shí)也可能會(huì)對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮流量對(duì)傳熱性能和系統(tǒng)運(yùn)行的影響，選擇合適的流量范圍。流動(dòng)參數(shù)與傳熱惡化之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。質(zhì)量流速、流速和流量的變化會(huì)影響流體的流動(dòng)狀態(tài)、邊界層特性以及液膜的穩(wěn)定性，從而對(duì)傳熱惡化產(chǎn)生不同程度的影響。在超臨界流體的傳熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，合理控制這些流動(dòng)參數(shù)，對(duì)于防止傳熱惡化的發(fā)生，提高系統(tǒng)的傳熱效率和安全性具有重要意義。3.3.3管道幾何參數(shù)管徑、管長(zhǎng)和管道形狀等幾何參數(shù)對(duì)超臨界流體傳熱惡化有著不可忽視的作用。管徑的大小直接影響邊界層厚度和傳熱性能。當(dāng)管徑較小時(shí)，邊界層在管道橫截面上所占的比例相對(duì)較大，邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性對(duì)整體傳熱的影響更為顯著。在小管徑管道中，流體與壁面的接觸面積相對(duì)較大，熱量傳遞更容易受到壁面的影響。小管徑還會(huì)導(dǎo)致流體的流速相對(duì)較高，這可能會(huì)使邊界層內(nèi)的湍流程度增強(qiáng)，從而提高傳熱系數(shù)。然而，當(dāng)管徑過(guò)小，可能會(huì)導(dǎo)致流體的流動(dòng)阻力增大，能耗增加。在超臨界二氧化碳的傳熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)管徑從5mm減小到2mm時(shí)，傳熱系數(shù)有所提高，但同時(shí)壓力損失也明顯增大。另一方面，管徑較大時(shí)，邊界層厚度相對(duì)較小，流體的主體部分對(duì)傳熱的影響更大。在大管徑管道中，流體的流速相對(duì)較低，邊界層內(nèi)的湍流程度較弱，傳熱系數(shù)相對(duì)較小。大管徑管道可以減少流體的流動(dòng)阻力，降低能耗。在一些大型的超臨界流體傳熱系統(tǒng)中，為了降低流動(dòng)阻力，會(huì)采用較大管徑的管道，但這也需要注意可能出現(xiàn)的傳熱惡化問(wèn)題。當(dāng)管徑增大到一定程度時(shí)，邊界層內(nèi)的熱量傳遞能力可能無(wú)法滿足需求，導(dǎo)致壁面溫度升高，傳熱惡化加劇。管長(zhǎng)對(duì)傳熱惡化也有一定的影響。隨著管長(zhǎng)的增加，流體在管道內(nèi)的受熱時(shí)間增長(zhǎng)，熱量不斷積累，壁面溫度逐漸升高。當(dāng)管長(zhǎng)超過(guò)一定值時(shí)，壁面溫度可能會(huì)達(dá)到一個(gè)較高的水平，從而引發(fā)傳熱惡化。在超臨界水的加熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)管長(zhǎng)從1m增加到3m時(shí)，壁面溫度明顯升高，傳熱惡化現(xiàn)象更加明顯。管長(zhǎng)的增加還可能導(dǎo)致流體的物性參數(shù)在沿程發(fā)生變化，進(jìn)一步影響傳熱性能。由于流體在管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中不斷吸收熱量，溫度和壓力會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致流體的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)改變，這些變化會(huì)對(duì)傳熱惡化產(chǎn)生影響。管道形狀對(duì)傳熱惡化的影響較為復(fù)雜。不同的管道形狀會(huì)導(dǎo)致流體的流動(dòng)狀態(tài)和邊界層特性不同。在圓形管道中，流體的流動(dòng)相對(duì)較為均勻，邊界層的發(fā)展也較為規(guī)則；而在非圓形管道中，如矩形管道、橢圓形管道等，流體的流動(dòng)會(huì)受到管道形狀的影響，出現(xiàn)二次流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。這些復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)改變邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布，進(jìn)而影響傳熱性能。在矩形管道中，由于管道角部的存在，流體在角部附近會(huì)形成漩渦，導(dǎo)致局部的傳熱系數(shù)發(fā)生變化，容易出現(xiàn)傳熱惡化的熱點(diǎn)區(qū)域。管道的彎曲、分叉等結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)和傳熱產(chǎn)生影響。在管道彎曲處，流體受到離心力的作用，會(huì)導(dǎo)致外側(cè)壁面的邊界層變薄，內(nèi)側(cè)壁面的邊界層變厚，從而使傳熱性能發(fā)生變化，增加傳熱惡化的風(fēng)險(xiǎn)。管徑、管長(zhǎng)和管道形狀等幾何參數(shù)通過(guò)影響邊界層厚度、流體的流動(dòng)狀態(tài)以及物性參數(shù)的變化，對(duì)超臨界流體的傳熱惡化產(chǎn)生重要影響。在超臨界流體傳熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮這些幾何參數(shù)，優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，以提高傳熱效率，防止傳熱惡化的發(fā)生。四、近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)理4.1近壁邊界層對(duì)傳熱惡化的直接影響4.1.1邊界層厚度變化對(duì)傳熱的阻礙在超臨界流體的傳熱過(guò)程中，近壁邊界層厚度的變化對(duì)傳熱惡化有著顯著的直接影響。當(dāng)邊界層厚度增加時(shí)，熱量傳遞的路徑變長(zhǎng)，熱阻增大，從而阻礙了熱量從壁面?zhèn)鬟f到流體中，導(dǎo)致壁面溫度升高，最終引發(fā)傳熱惡化。從理論分析的角度來(lái)看，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，熱量傳遞的速率與溫度梯度和導(dǎo)熱系數(shù)成正比，與熱阻成反比。在近壁邊界層中，熱阻主要由邊界層厚度和流體的導(dǎo)熱性能決定。當(dāng)邊界層厚度增加時(shí)，在相同的溫度梯度下，熱量傳遞的阻力增大，傳熱速率降低。假設(shè)邊界層厚度為δ，導(dǎo)熱系數(shù)為λ，溫度梯度為dT/dx，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，熱流密度q可以表示為q=-λ(dT/dx)。當(dāng)邊界層厚度增加時(shí)，在相同的溫度梯度下，熱流密度q會(huì)減小，這意味著熱量傳遞的速率降低，壁面的熱量難以有效地傳遞到流體中，從而導(dǎo)致壁面溫度升高。在實(shí)際的超臨界流體傳熱系統(tǒng)中，邊界層厚度的變化受多種因素的影響。其中，流體的流速和物性參數(shù)是兩個(gè)重要的影響因素。當(dāng)流體流速降低時(shí)，邊界層的發(fā)展會(huì)更加充分，厚度會(huì)增加。在超臨界二氧化碳的傳熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)流速?gòu)?m/s降低到1m/s時(shí)，邊界層厚度明顯增加，壁面溫度顯著升高，傳熱惡化現(xiàn)象加劇。這是因?yàn)榱魉俚慕档褪沟昧黧w在壁面附近的停留時(shí)間增加，邊界層內(nèi)的流體與壁面之間的熱量交換更加充分，從而導(dǎo)致邊界層厚度增加，熱阻增大，傳熱性能下降。流體的物性參數(shù)，如密度、粘度和導(dǎo)熱系數(shù)等，也會(huì)影響邊界層厚度。在擬臨界溫度附近，超臨界流體的物性參數(shù)會(huì)發(fā)生劇烈變化。當(dāng)流體的密度減小、粘度增大時(shí)，邊界層厚度會(huì)增加。在超臨界水的傳熱過(guò)程中，當(dāng)溫度接近擬臨界溫度時(shí)，密度急劇減小，粘度增大，邊界層厚度明顯增加，傳熱惡化現(xiàn)象更容易發(fā)生。這是因?yàn)槊芏鹊臏p小和粘度的增大使得流體的流動(dòng)性變差，邊界層內(nèi)的流體混合減弱，熱量傳遞更加困難，從而導(dǎo)致邊界層厚度增加，熱阻增大，傳熱性能下降。為了更直觀地說(shuō)明邊界層厚度變化對(duì)傳熱的阻礙，我們可以通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)分析。利用CFD軟件，對(duì)超臨界流體在管道內(nèi)的流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬。在模擬過(guò)程中，設(shè)置不同的邊界條件和物性參數(shù)，觀察邊界層厚度的變化以及對(duì)傳熱的影響。通過(guò)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)邊界層厚度增加時(shí)，壁面附近的溫度梯度減小，熱流密度降低，壁面溫度升高。這進(jìn)一步驗(yàn)證了邊界層厚度增加會(huì)阻礙熱量傳遞，導(dǎo)致傳熱惡化的結(jié)論。邊界層厚度的變化在超臨界流體傳熱惡化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。通過(guò)控制流體的流速和物性參數(shù)，優(yōu)化邊界層的發(fā)展，減小邊界層厚度，可以有效降低熱阻，提高傳熱效率，防止傳熱惡化的發(fā)生。這對(duì)于超臨界流體傳熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。4.1.2邊界層內(nèi)速度分布與傳熱的關(guān)聯(lián)邊界層內(nèi)的速度分布不均勻?qū)ΤR界流體的傳熱有著重要影響，這種影響主要通過(guò)速度梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度梯度的存在導(dǎo)致流體內(nèi)部的動(dòng)量交換，進(jìn)而影響熱量的擴(kuò)散和傳遞效率。在近壁邊界層中，由于流體的粘性作用，速度從壁面處的零值逐漸增大到主流速度，形成了一定的速度梯度。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，速度梯度會(huì)產(chǎn)生粘性切應(yīng)力，其表達(dá)式為τ=μ(dv/dy)，其中τ為粘性切應(yīng)力，μ為動(dòng)力粘度，dv/dy為速度梯度。粘性切應(yīng)力的存在使得流體內(nèi)部發(fā)生動(dòng)量交換，導(dǎo)致流體的混合和湍流的產(chǎn)生。在湍流狀態(tài)下，流體的傳熱主要依靠湍流擴(kuò)散，而不是分子熱傳導(dǎo)。湍流擴(kuò)散比分子熱傳導(dǎo)更有效，能夠顯著提高傳熱效率。然而，當(dāng)速度梯度分布不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致湍流結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，影響熱量的傳遞。在某些情況下，邊界層內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)速度分層現(xiàn)象，即不同位置的流體速度存在較大差異。這種速度分層會(huì)導(dǎo)致熱量在不同速度層之間的傳遞受到阻礙，降低傳熱效率。在超臨界二氧化碳的傳熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)質(zhì)量流速較低時(shí)，邊界層內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)明顯的速度分層，靠近壁面的流體速度較低，而遠(yuǎn)離壁面的流體速度較高。這種速度分層使得熱量難以從壁面?zhèn)鬟f到主流流體中，導(dǎo)致壁面溫度升高，傳熱惡化現(xiàn)象加劇。速度梯度還會(huì)影響邊界層內(nèi)的溫度分布。由于熱量傳遞與速度分布密切相關(guān)，速度梯度的變化會(huì)導(dǎo)致溫度梯度的改變。當(dāng)速度梯度較大時(shí)，熱量傳遞的速率也會(huì)相應(yīng)增大，從而使邊界層內(nèi)的溫度分布更加均勻。然而，當(dāng)速度梯度分布不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致溫度分布出現(xiàn)異常，某些區(qū)域的溫度過(guò)高或過(guò)低，影響傳熱的穩(wěn)定性。在超臨界水的傳熱過(guò)程中，當(dāng)邊界層內(nèi)的速度梯度不均勻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部溫度過(guò)高的現(xiàn)象，這可能會(huì)引發(fā)傳熱惡化。為了深入研究邊界層內(nèi)速度分布與傳熱的關(guān)聯(lián)，許多學(xué)者采用了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。通過(guò)數(shù)值模擬，可以精確地計(jì)算邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布，分析速度梯度對(duì)傳熱的影響機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究則可以驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，提供實(shí)際的數(shù)據(jù)支持。一些研究利用PIV技術(shù)測(cè)量邊界層內(nèi)的速度場(chǎng)，同時(shí)利用熱電偶測(cè)量溫度場(chǎng)，從而獲得速度分布與傳熱之間的直接關(guān)系。研究結(jié)果表明，邊界層內(nèi)的速度分布對(duì)傳熱有著顯著的影響，優(yōu)化速度分布可以有效提高傳熱效率，防止傳熱惡化的發(fā)生。邊界層內(nèi)速度分布不均勻通過(guò)速度梯度影響熱量的擴(kuò)散和傳遞效率，進(jìn)而對(duì)超臨界流體的傳熱惡化產(chǎn)生重要影響。深入研究速度分布與傳熱的關(guān)聯(lián)，對(duì)于理解超臨界流體傳熱惡化的機(jī)理，提高傳熱系統(tǒng)的性能具有重要意義。4.2近壁邊界層與傳熱惡化的間接影響4.2.1邊界層內(nèi)湍流特性與傳熱惡化邊界層內(nèi)的湍流特性對(duì)超臨界流體傳熱惡化有著重要的間接影響，其中湍流強(qiáng)度和湍動(dòng)能是兩個(gè)關(guān)鍵的特性參數(shù)。湍流強(qiáng)度是指湍流脈動(dòng)速度的均方根與平均流速的比值，它反映了湍流的劇烈程度。在超臨界流體的近壁邊界層中，湍流強(qiáng)度的變化會(huì)顯著影響熱量傳遞。當(dāng)湍流強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，流體內(nèi)部的混合加劇，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)更加無(wú)序，這使得熱量能夠更有效地在流體中擴(kuò)散和傳遞。在超臨界二氧化碳的傳熱過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)湍流強(qiáng)度增大時(shí)，傳熱系數(shù)明顯提高，這表明湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)有助于強(qiáng)化傳熱，抑制傳熱惡化的發(fā)生。這是因?yàn)檩^強(qiáng)的湍流能夠破壞邊界層內(nèi)的溫度分層，使熱量更均勻地分布在流體中，從而減小了熱阻，提高了傳熱效率。湍動(dòng)能則是單位質(zhì)量流體所具有的湍流能量，它與湍流強(qiáng)度密切相關(guān)。湍動(dòng)能的大小反映了湍流運(yùn)動(dòng)的能量水平，對(duì)傳熱過(guò)程有著重要影響。當(dāng)湍動(dòng)能增加時(shí)，流體的湍流運(yùn)動(dòng)更加劇烈，能夠更有效地將熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域。在超臨界水的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，利用激光多普勒測(cè)速（LDV）技術(shù)測(cè)量了邊界層內(nèi)的湍動(dòng)能分布，結(jié)果表明，在湍動(dòng)能較大的區(qū)域，傳熱系數(shù)明顯增大，壁面溫度降低，傳熱惡化現(xiàn)象得到緩解。這是因?yàn)橥膭?dòng)能的增加使得流體的湍流擴(kuò)散能力增強(qiáng)，能夠更快地將壁面的熱量帶走，從而提高了傳熱性能。然而，當(dāng)湍流特性出現(xiàn)異常時(shí)，也可能會(huì)對(duì)傳熱惡化產(chǎn)生促進(jìn)作用。在某些情況下，邊界層內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)湍流結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致湍流強(qiáng)度和湍動(dòng)能的分布不均勻。這種不均勻性會(huì)使得熱量傳遞出現(xiàn)局部受阻的情況，從而引發(fā)傳熱惡化。當(dāng)邊界層內(nèi)存在大尺度的漩渦結(jié)構(gòu)時(shí)，漩渦內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢，熱量傳遞不暢，容易導(dǎo)致局部溫度升高，進(jìn)而引發(fā)傳熱惡化。邊界層內(nèi)的湍流特性還與其他因素相互作用，共同影響傳熱惡化。流體的物性參數(shù)在擬臨界溫度附近的劇烈變化，會(huì)改變流體的粘性和導(dǎo)熱性能，從而影響湍流的發(fā)展和熱量傳遞。當(dāng)流體的粘度在擬臨界溫度附近發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響湍流的生成和發(fā)展，進(jìn)而影響傳熱特性。管道的幾何形狀和壁面粗糙度也會(huì)對(duì)邊界層內(nèi)的湍流特性產(chǎn)生影響，從而間接影響傳熱惡化。在彎曲管道中，流體的流動(dòng)會(huì)受到離心力的作用，導(dǎo)致邊界層內(nèi)的湍流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響傳熱性能。邊界層內(nèi)的湍流強(qiáng)度和湍動(dòng)能等特性通過(guò)影響熱量傳遞，對(duì)超臨界流體傳熱惡化產(chǎn)生間接影響。合理控制邊界層內(nèi)的湍流特性，優(yōu)化湍流結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高超臨界流體的傳熱效率，防止傳熱惡化具有重要意義。4.2.2邊界層內(nèi)溫度分布與傳熱惡化邊界層內(nèi)溫度分布的不均勻性以及溫度梯度對(duì)超臨界流體傳熱惡化有著重要的間接影響。在近壁邊界層中，由于熱量傳遞的不均勻性，溫度分布往往呈現(xiàn)出明顯的不均勻特征?？拷诿娴膮^(qū)域，溫度較高，而遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域，溫度較低，形成了一定的溫度梯度。這種溫度分布的不均勻性會(huì)導(dǎo)致熱阻的變化，從而影響傳熱效果。當(dāng)溫度分布不均勻時(shí)，熱量傳遞會(huì)受到阻礙，熱阻增大，容易引發(fā)傳熱惡化。在超臨界水的傳熱實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)紅外熱成像技術(shù)測(cè)量了邊界層內(nèi)的溫度分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度分布不均勻時(shí)，壁面溫度明顯升高，傳熱系數(shù)下降，傳熱惡化現(xiàn)象加劇。這是因?yàn)闇囟确植疾痪鶆驎?huì)導(dǎo)致局部熱流密度增大，使得熱量難以從壁面?zhèn)鬟f到流體中，從而導(dǎo)致壁面溫度升高，傳熱效率降低。溫度梯度是指單位距離內(nèi)溫度的變化率，它在傳熱過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。在邊界層內(nèi)，溫度梯度的大小直接影響著熱量傳遞的速率。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，熱流密度與溫度梯度成正比，即q=-λ(dT/dx)，其中q為熱流密度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，dT/dx為溫度梯度。當(dāng)溫度梯度較大時(shí)，熱流密度增大，熱量傳遞速率加快，有利于提高傳熱效率，抑制傳熱惡化的發(fā)生。在超臨界二氧化碳的傳熱過(guò)程中，當(dāng)邊界層內(nèi)的溫度梯度增大時(shí)，傳熱系數(shù)明顯提高，壁面溫度降低，傳熱惡化現(xiàn)象得到緩解。然而，當(dāng)溫度梯度分布不均勻時(shí)，也可能會(huì)對(duì)傳熱惡化產(chǎn)生促進(jìn)作用。在邊界層內(nèi)，由于流體的流動(dòng)和物性變化，溫度梯度可能會(huì)出現(xiàn)局部異常增大或減小的情況。當(dāng)局部溫度梯度異常增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部熱流密度過(guò)高，使得壁面溫度迅速升高，從而引發(fā)傳熱惡化。在超臨界流體的管道流動(dòng)中，由于管道的彎曲或局部阻力的存在，可能會(huì)導(dǎo)致邊界層內(nèi)的溫度梯度分布不均勻，從而增加傳熱惡化的風(fēng)險(xiǎn)。邊界層內(nèi)的溫度分層也會(huì)對(duì)傳熱產(chǎn)生影響。溫度分層是指在邊界層內(nèi)，由于溫度分布的不均勻，形成了不同溫度區(qū)域的分層結(jié)構(gòu)。這種溫度分層會(huì)阻礙熱量的傳遞，降低傳熱效率。在超臨界水的傳熱過(guò)程中，當(dāng)邊界層內(nèi)出現(xiàn)明顯的溫度分層時(shí)，熱量在不同溫度層之間的傳遞受到阻礙，導(dǎo)致壁面溫度升高，傳熱惡化現(xiàn)象加劇。這是因?yàn)闇囟确謱邮沟脽崃總鬟f需要克服更大的熱阻，從而降低了傳熱效率。邊界層內(nèi)溫度分布的不均勻性、溫度梯度以及溫度分層等因素通過(guò)影響熱阻和熱量傳遞速率，對(duì)超臨界流體傳熱惡化產(chǎn)生間接影響。優(yōu)化邊界層內(nèi)的溫度分布，合理控制溫度梯度，對(duì)于提高超臨界流體的傳熱性能，防止傳熱惡化具有重要意義。4.3基于近壁邊界層的傳熱惡化物理模型4.3.1現(xiàn)有物理模型概述目前，基于近壁邊界層的超臨界流體傳熱惡化物理模型主要有以下幾種：邊界層積分方程模型是一種較為經(jīng)典的模型。該模型基于邊界層理論，通過(guò)對(duì)邊界層內(nèi)的動(dòng)量、能量和質(zhì)量守恒方程進(jìn)行積分，得到邊界層的相關(guān)參數(shù)，如邊界層厚度、速度分布和溫度分布等，進(jìn)而分析傳熱惡化現(xiàn)象。這種模型的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠?qū)吔鐚拥幕咎匦赃M(jìn)行初步分析。在一些簡(jiǎn)單的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題中，該模型能夠快速給出近似的結(jié)果，為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。它也存在局限性，由于在積分過(guò)程中進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化假設(shè)，該模型對(duì)邊界層內(nèi)復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)和非平衡態(tài)特性的描述不夠準(zhǔn)確，無(wú)法精確預(yù)測(cè)傳熱惡化的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。兩流體模型將超臨界流體在近壁邊界層內(nèi)的流動(dòng)看作是兩種不同性質(zhì)流體的混合流動(dòng)，一種是靠近壁面的粘性底層流體，另一種是外層的湍流流體。通過(guò)分別考慮這兩種流體的特性和相互作用，建立起傳熱惡化的物理模型。該模型能夠較好地描述邊界層內(nèi)不同區(qū)域的流動(dòng)和傳熱特性，對(duì)于分析邊界層內(nèi)的速度分布、溫度分布以及傳熱惡化的影響因素具有一定的優(yōu)勢(shì)。在研究超臨界流體在管道內(nèi)的流動(dòng)傳熱時(shí)，該模型可以更準(zhǔn)確地反映邊界層內(nèi)不同區(qū)域的流體行為，從而為傳熱惡化的分析提供更詳細(xì)的信息。然而，該模型的參數(shù)確定較為復(fù)雜，需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬來(lái)獲取，而且對(duì)于一些復(fù)雜的流動(dòng)工況，模型的準(zhǔn)確性還有待提高?；谖⒂^機(jī)理的模型從分子層面出發(fā)，考慮超臨界流體在近壁邊界層內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)、相互作用以及能量傳遞等微觀過(guò)程，建立傳熱惡化的物理模型。這類模型能夠深入揭示傳熱惡化的微觀本質(zhì)，對(duì)于理解超臨界流體傳熱惡化的內(nèi)在機(jī)制具有重要意義。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，可以詳細(xì)研究邊界層內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)軌跡、碰撞頻率以及能量交換情況，從而為傳熱惡化的研究提供微觀層面的依據(jù)。但是，由于微觀機(jī)理的復(fù)雜性，這類模型的計(jì)算量非常大，對(duì)計(jì)算資源的要求極高，目前在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在一定的困難。各模型的適用范圍也有所不同。邊界層積分方程模型適用于對(duì)邊界層特性進(jìn)行初步分析和簡(jiǎn)單工程設(shè)計(jì)的場(chǎng)景，在一些對(duì)精度要求不高的情況下能夠發(fā)揮作用。兩流體模型適用于對(duì)邊界層內(nèi)不同區(qū)域的流動(dòng)和傳熱特性有較深入研究需求的場(chǎng)景，例如在研究超臨界流體在復(fù)雜管道結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)傳熱時(shí)，該模型能夠提供更詳細(xì)的信息?；谖⒂^機(jī)理的模型則適用于對(duì)傳熱惡化微觀本質(zhì)進(jìn)行深入研究的場(chǎng)景，雖然目前應(yīng)用受限，但對(duì)于推動(dòng)超臨界流體傳熱惡化理論的發(fā)展具有重要價(jià)值。現(xiàn)有基于近壁邊界層的超臨界流體傳熱惡化物理模型在各自的適用范圍內(nèi)都有一定的應(yīng)用價(jià)值，但也都存在不同程度的局限性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的研究目的和工況條件，選擇合適的模型，并對(duì)模型進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，以提高對(duì)傳熱惡化現(xiàn)象的預(yù)測(cè)和分析能力。4.3.2模型改進(jìn)與完善思路根據(jù)前文的研究結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有基于近壁邊界層的超臨界流體傳熱惡化物理模型提出以下改進(jìn)方向和完善思路：考慮更多影響因素是模型改進(jìn)的重要方向之一。在現(xiàn)有的模型中，往往只考慮了部分主要因素對(duì)傳熱惡化的影響，而忽略了一些次要但在某些工況下可能起關(guān)鍵作用的因素。未來(lái)的模型應(yīng)進(jìn)一步考慮邊界層內(nèi)的非牛頓流體特性、流體的壓縮性以及壁面的熱輻射等因素。在超臨界流體的實(shí)際應(yīng)用中，由于壓力和溫度的變化，流體的壓縮性可能對(duì)傳熱惡化產(chǎn)生重要影響，而壁面的熱輻射在高溫工況下也不容忽視?？紤]這些因素能夠更全面地反映超臨界流體在近壁邊界層內(nèi)的傳熱過(guò)程，提高模型的準(zhǔn)確性。優(yōu)化模型假設(shè)也是完善模型的關(guān)鍵。目前的模型在建立過(guò)程中通常會(huì)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化假設(shè)，這些假設(shè)在一定程度上簡(jiǎn)化了計(jì)算，但也可能導(dǎo)致模型與實(shí)際情況存在偏差。在未來(lái)的研究中，可以通過(guò)更深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)模型假設(shè)進(jìn)行優(yōu)化。在邊界層積分方程模型中，可以采用更精確的速度分布和溫度分布假設(shè)，以提高模型對(duì)邊界層內(nèi)流動(dòng)和傳熱特性的描述精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量邊界層內(nèi)的實(shí)際速度和溫度分布，對(duì)模型假設(shè)進(jìn)行修正，使模型能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。結(jié)合多物理場(chǎng)耦合理論也是改進(jìn)模型的有效途徑。超臨界流體的傳熱惡化過(guò)程往往涉及多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用，如溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及電磁場(chǎng)等。在一些超臨界流體的應(yīng)用場(chǎng)景中，可能會(huì)存在電磁場(chǎng)的作用，這會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)和傳熱產(chǎn)生影響。因此，將多物理場(chǎng)耦合理論引入到傳熱惡化模型中，能夠更全面地考慮各種物理場(chǎng)的相互作用，提高模型的適用性。通過(guò)建立溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和電磁場(chǎng)的耦合方程，分析電磁場(chǎng)對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)制，從而完善傳熱惡化模型。隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，采用更先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法也是模型改進(jìn)的重要手段?，F(xiàn)有的模型在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中可能存在精度不足、計(jì)算效率低等問(wèn)題。未來(lái)可以采用更高效的數(shù)值算法，如高階有限元方法、譜方法等，提高模型的計(jì)算精度和效率。這些先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法能夠更準(zhǔn)確地求解復(fù)雜的物理方程，減少數(shù)值誤差，同時(shí)提高計(jì)算速度，使模型能夠處理更復(fù)雜的工況和更大規(guī)模的問(wèn)題。為了提高模型的準(zhǔn)確性和適用性，還需要加強(qiáng)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲取超臨界流體在不同工況下的傳熱特性數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)模型中存在的問(wèn)題，并對(duì)模型進(jìn)行修正和完善。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要盡可能控制實(shí)驗(yàn)條件的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，為模型的驗(yàn)證和改進(jìn)提供有力的支持。對(duì)現(xiàn)有基于近壁邊界層的超臨界流體傳熱惡化物理模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，需要綜合考慮多方面的因素，通過(guò)不斷地探索和研究，建立更加準(zhǔn)確、全面的傳熱惡化模型，為超臨界流體的工程應(yīng)用提供更可靠的理論支持。五、研究案例分析5.1實(shí)驗(yàn)研究案例5.1.1實(shí)驗(yàn)裝置與方法為了深入研究近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)理，搭建了一套超臨界二氧化碳傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由主循環(huán)回路、冷凝系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)組成。主循環(huán)回路包括儲(chǔ)液罐、第一過(guò)濾器、柱塞泵、囊式蓄能器、第一背壓閥、質(zhì)量流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、預(yù)熱段、實(shí)驗(yàn)段、套管式冷凝器、第二過(guò)濾器、第二背壓閥以及多個(gè)截止閥。儲(chǔ)液罐用于儲(chǔ)存超臨界二氧化碳，第一過(guò)濾器可過(guò)濾掉流體中的雜質(zhì)，保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。柱塞泵負(fù)責(zé)將儲(chǔ)液罐中的超臨界二氧化碳輸送到主循環(huán)回路中，囊式蓄能器則起到穩(wěn)定壓力的作用。質(zhì)量流量計(jì)用于精確測(cè)量流體的質(zhì)量流量，調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)流體的流量和壓力。預(yù)熱段和實(shí)驗(yàn)段采用直流電源加熱，能夠精確控制加熱功率，以模擬不同的熱流密度工況。實(shí)驗(yàn)段為圓管實(shí)驗(yàn)段，直接由實(shí)驗(yàn)段直流電源通電加熱，功率控制靈敏度高，壁面上每隔一定距離等距布置有T型貼片式熱電偶，用于測(cè)量壁溫，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口中心位置插入T型鎧裝熱電偶，用于測(cè)量流體溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)段壁面及流體溫度狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)段能夠通過(guò)快拆式絕緣法蘭快速更換，實(shí)現(xiàn)不同尺寸實(shí)驗(yàn)段的流動(dòng)熱特性研究。套管式冷凝器用于將實(shí)驗(yàn)后的超臨界二氧化碳冷卻并回收至儲(chǔ)液罐。冷凝系統(tǒng)由套管式冷凝器、制冷機(jī)和冷卻液調(diào)節(jié)閥組成。制冷機(jī)提供冷源，通過(guò)調(diào)節(jié)制冷機(jī)的制冷溫度和旁路上的冷卻液調(diào)節(jié)閥，可控制二氧化碳冷凝后回到儲(chǔ)液罐的溫度。電加熱系統(tǒng)包括預(yù)熱段直流電源和實(shí)驗(yàn)段直流電源，分別為預(yù)熱段和實(shí)驗(yàn)段提供三點(diǎn)式和兩點(diǎn)式直流加熱，能夠精確控制加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)工況的精確控制。實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置涵蓋了不同的壓力、溫度、質(zhì)量流速和熱流密度。壓力范圍設(shè)定為8-12MPa，溫度范圍為32-40℃，質(zhì)量流速范圍為200-600kg/(m2?s)，熱流密度范圍為100-300kW/m2。在每個(gè)工況下，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，開始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集流程如下：首先，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量超臨界二氧化碳的質(zhì)量流量，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的壓力，通過(guò)T型貼片式熱電偶和T型鎧裝熱電偶分別測(cè)量實(shí)驗(yàn)段壁面溫度和流體溫度。這些數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每隔一定時(shí)間記錄一次數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試，確保測(cè)量?jī)x器的精度和穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性；對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，確保質(zhì)量流量測(cè)量的精度。5.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)得到了不同工況下超臨界二氧化碳的壁面溫度和傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)。在低質(zhì)量流速和高熱流密度工況下，壁面溫度迅速升高，傳熱系數(shù)急劇下降，表明出現(xiàn)了傳熱惡化現(xiàn)象。當(dāng)質(zhì)量流速為200kg/(m2?s)，熱流密度為300kW/m2時(shí)，壁面溫度在短時(shí)間內(nèi)升高了50℃以上，傳熱系數(shù)從初始的約800W/(m2?K)降至不足200W/(m2?K)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)理。在傳熱惡化發(fā)生時(shí)，近壁邊界層厚度明顯增加，邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布發(fā)生顯著變化。當(dāng)壁面溫度升高時(shí)，邊界層內(nèi)的流體物性發(fā)生變化，密度減小，粘度增大，導(dǎo)致邊界層厚度增加，熱阻增大，傳熱系數(shù)下降。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量不同位置的溫度和速度，發(fā)現(xiàn)靠近壁面的區(qū)域速度梯度減小，溫度梯度增大，這表明邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性發(fā)生了改變，從而影響了整個(gè)傳熱過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，壓力和溫度對(duì)傳熱惡化也有重要影響。在較高壓力下，傳熱惡化現(xiàn)象得到一定程度的緩解，這是因?yàn)閴毫Φ脑黾邮沟贸R界流體的密度增大，傳熱能力增強(qiáng)。而在接近擬臨界溫度時(shí)，傳熱惡化現(xiàn)象更為明顯，這是由于擬臨界溫度附近流體物性的劇烈變化導(dǎo)致的。在壓力為12MPa時(shí)，傳熱惡化現(xiàn)象相對(duì)較輕，壁面溫度升高幅度較??；而當(dāng)溫度接近擬臨界溫度31.1℃時(shí)，即使在較低熱流密度下，也容易出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)理，為深入理解超臨界流體傳熱惡化現(xiàn)象提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為相關(guān)理論模型的建立和數(shù)值模擬的驗(yàn)證提供了重要的數(shù)據(jù)支持。5.2數(shù)值模擬案例5.2.1數(shù)值模擬方法與模型建立本研究采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。CFD方法是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)值模擬方法，它通過(guò)求解流體力學(xué)和傳熱學(xué)的控制方程，如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程等，來(lái)模擬流體的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。在CFD模擬中，將物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，通過(guò)離散化處理將連續(xù)的物理場(chǎng)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)值網(wǎng)格，然后利用數(shù)值算法求解控制方程，得到流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值解。利用專業(yè)的CFD軟件ANSYSFluent進(jìn)行模擬計(jì)算。在模型建立過(guò)程中，首先創(chuàng)建一個(gè)二維的圓形管道模型，管道內(nèi)徑為10mm，長(zhǎng)度為1m。這一尺寸的選擇是基于實(shí)際工程應(yīng)用中常見(jiàn)的管道尺寸，同時(shí)也考慮到計(jì)算資源和計(jì)算效率的因素。通過(guò)合理選擇管道尺寸，既能保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能在可接受的計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成模擬任務(wù)。對(duì)管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以確保網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算精度。在近壁區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以更好地捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性。邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱變化劇烈，通過(guò)加密網(wǎng)格可以更準(zhǔn)確地描述這些變化，提高模擬結(jié)果的可靠性。在近壁區(qū)域，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.01mm，而在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸逐漸增大至0.1mm。通過(guò)這種網(wǎng)格劃分方式，既能保證對(duì)邊界層的準(zhǔn)確模擬，又能控制網(wǎng)格數(shù)量，減少計(jì)算量。邊界條件設(shè)置如下：入口處設(shè)置為速度入口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置不同的質(zhì)量流速，分別為200kg/(m2?s)、400kg/(m2?s)和600kg/(m2?s)。通過(guò)設(shè)置不同的質(zhì)量流速，可以研究質(zhì)量流速對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響。入口處還設(shè)置了均勻的溫度，分別為32℃、35℃和38℃，以模擬不同的入口溫度工況。出口處設(shè)置為壓力出口，壓力為8MPa，這一壓力值是根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用中的常見(jiàn)壓力范圍確定的。壁面設(shè)置為恒熱流邊界條件，熱流密度分別為100kW/m2、200kW/m2和300kW/m2，通過(guò)設(shè)置不同的熱流密度，可以研究熱流密度對(duì)傳熱惡化的影響。壁面還設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，即流體在壁面處的速度為零，這符合實(shí)際的物理情況。在數(shù)值模擬過(guò)程中，選用SSTk-ω湍流模型。該模型綜合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地模擬近壁區(qū)域的湍流流動(dòng)，特別是在處理邊界層內(nèi)的湍流特性時(shí)具有較高的精度。在超臨界流體的流動(dòng)中，邊界層內(nèi)的湍流特性對(duì)傳熱惡化有著重要影響，因此選擇SSTk-ω湍流模型能夠更準(zhǔn)確地模擬這一過(guò)程。對(duì)于超臨界二氧化碳的物性參數(shù)，如密度、粘度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等，采用真實(shí)氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)溫度和壓力的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。在模擬過(guò)程中，利用軟件提供的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合真實(shí)氣體狀態(tài)方程，實(shí)時(shí)計(jì)算超臨界二氧化碳的物性參數(shù)，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。5.2.2模擬結(jié)果與討論通過(guò)數(shù)值模擬，得到了不同工況下超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。在速度場(chǎng)方面，隨著質(zhì)量流速的增加，管道內(nèi)的平均流速明顯增大。在質(zhì)量流速為200kg/(m2?s)時(shí)，管道中心處的流速約為1m/s；當(dāng)質(zhì)量流速增加到600kg/(m2?s)時(shí)，管道中心處的流速增大到約3m/s。在近壁區(qū)域，由于壁面的無(wú)滑移條件，速度迅速降低為零，形成了明顯的速度梯度。在低質(zhì)量流速下，速度梯度較大，邊界層較厚；隨著質(zhì)量流速的增加，速度梯度減小，邊界層變薄。這是因?yàn)橘|(zhì)量流速的增加使得流體的慣性力增大，能夠更好地克服粘性力的作用，從而使邊界層變薄。在溫度場(chǎng)方面，隨著熱流密度的增加，壁面溫度顯著升高。在熱流密度為100kW/m2時(shí)，壁面最高溫度約為35℃；當(dāng)熱流密度增加到300kW/m2時(shí)，壁面最高溫度升高到約45℃。在管道中心區(qū)域，溫度相對(duì)較低，且分布較為均勻。在近壁區(qū)域，由于熱量傳遞的阻力，溫度梯度較大，形成了明顯的溫度邊界層。在低熱流密度下，溫度邊界層較??；隨著熱流密度的增加，溫度邊界層變厚。這是因?yàn)闊崃髅芏鹊脑黾邮沟帽诿鎮(zhèn)鬟f給流體的熱量增多，需要更大的溫度梯度來(lái)傳遞這些熱量，從而導(dǎo)致溫度邊界層變厚。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢(shì)上基本一致，但在數(shù)值上存在一定的差異。在相同的質(zhì)量流速和熱流密度下，模擬得到的壁面溫度和傳熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差在10%-15%之間。這可能是由于數(shù)值模擬中采用的湍流模型和物性參數(shù)計(jì)算方法存在一定的局限性，以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中存在一定的誤差。盡管存在這些差異，模擬結(jié)果仍然能夠較好地反映超臨界二氧化碳在管道內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性，為進(jìn)一步研究近壁邊界層對(duì)傳熱惡化的影響提供了有力的支持。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了近壁邊界層對(duì)超臨界流體傳熱惡化的影響機(jī)理。在傳熱惡化發(fā)生時(shí)，近壁邊界層厚度明顯增加，邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布發(fā)生顯著變化。當(dāng)壁面溫度升高時(shí)，邊界層內(nèi)的流體物性發(fā)生變化，密度減小，粘度增大，導(dǎo)致邊界層厚度增加，熱阻增大，傳熱系數(shù)下降。在模擬中，通過(guò)監(jiān)測(cè)邊界層內(nèi)的物性參數(shù)和傳熱系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壁面溫度升高到一定程度時(shí)，邊界層內(nèi)的密度迅速減小，粘度增大，傳熱系數(shù)急劇下降，這與理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。數(shù)值模擬結(jié)果還表明，壓力和溫度對(duì)傳熱惡化也有重要影響。在較高壓力下，傳熱惡化現(xiàn)象得到一定程度的緩解，這是因?yàn)閴毫Φ脑黾邮沟贸R界流體的密度增大，傳熱能力增