工学院张信荣课题组在超近临界流体热质传递基础理论方面取得系列进展

来源:本站2019-06-15135 次

工学院张信荣课题组在超近临界流体热质传递基础理论方面取得系列进展

近期,北京大学工学院课题组在超/近临界流体热质传递基础理论方面取得了系列研究进展,在流体力学领域顶级期刊JournalofFluidMechanics,PhysicalReviewE杂志上发表了系列论文。 对于纯物质,临界点是其相图中的一个特殊点,当流体的温度和压力同时高于其临界温度和临界压力时,此时的流体称为超临界流体。 特别地,在临界点附近物性会呈现诸如热扩散系数趋于零、热膨胀系数趋于无穷等特殊变化,流体密度对温度、压力的微小变化异常敏感。

这种特殊的物性变化对不同种类的流体具有普适性,可以用普适标度律来描述,相关研究曾获得1982年诺贝尔物理学奖。

从应用上来说,临界点附近物性状态的敏感性与特殊性催生了超临界流体在化工萃取与分离、材料制备、食品及医药生产等领域的广泛应用。 自上世纪80年代起,研究人员普遍关注特殊物性下的热量传递及相关效应,核心问题包括“活塞效应”(近临界流体中存在的一种快速热平衡现象)的机理以及Rayleigh-Bénard自然对流的启动判据。

而在超临界流体的实际应用中,质量传递是非常普遍的过程,而临界点附近的质量传递及相关效应尚未得到充分的认识。 课题组选用二氧化碳+乙烷为参考体系,以近临界二元混合流体质量传递及相关效应为主题展开了系列研究。 课题组拓展了活塞效应的概念,揭示了封闭体系中边界质量传递引起的活塞效应(简称为质活塞效应)。 从机理上,质活塞效应源于临界点附近偏摩尔体积的异常变化。 考虑偏摩尔体积大于零的情形,当边界浓度升高后(例如溶解或脱附过程),浓度边界层建立并迅速膨胀并挤压其余流体,使得其温度迅速均匀升高。 此时由物质传递所带入体系的能量便以这种“膨胀—挤压”机制迅速从边界传至其他区域,效率大大提升。

进一步地,由于Dufour效应的存在,传质会耦合地引发传热,引起伴生的热活塞效应。 课题组通过理论分析得到了质活塞效应的能量效率表达式,揭示了两种活塞效应的叠加性。

论文预印本链接:图1(左)Dirichlet边界以及(右)Neumann边界条件下的质活塞效应随后,课题组针对Rayleigh-Bénard框架下浓度梯度驱动的自然对流判据展开了理论研究。 由于绝热温度梯度的存在,流动同时由浓度和温度控制,属于双扩散对流问题。 课题组基于线性理论,通过数值计算得到了中性稳定性条件,并与Boussinesq近似下的解析判据进行对比,指出了Boussinesq近似失效的原因在于忽略了重力引起的密度分层。 进一步地,考虑方腔底部瞬态浓度升高问题,将判据应用于解释浓度边界层的行为上,揭示了对流发生、羽流升起、重归稳定三种边界层的典型行为。 相关成果发表在《JournalofFluidMechanics》,文章链接:图2(左)涡量拟能随时间的变化,(右)边界层高度与其内浓度差的演化(由左向右表示时间)。

两图展现了三种典型的边界层行为在以上工作的启发下,课题组针对近临界二元混合流体双扩散对流稳定性开展了系统的研究,分别讨论了指形对流区及震荡对流区中非Boussinesq效应对稳定性的影响。 结果表明,在所有的非Boussinesq效应中,对稳定性影响最大的是变化的物性以及初始浓度分层。

在它们的影响下,垂直方向的对称性被打破,中性稳定性曲线上的最不稳定模态由原本的单涡演变为分层涡(指形对流区)以及猫眼涡(震荡对流区)。 从对流启动的机理出发,课题组提出了一个综合参数用于衡量非Boussinesq效应强度的物理量,用于指示流场中最不稳定的部分。 这部分研究成果发表在《PhysicalReviewE》,文章链接:图3非Boussinesq效应影响下的对流启动模态,(左)指形对流区的分层涡结构,(右)震荡对流区的猫眼涡结构。

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胡战超,部分研究工作与美国西北大学教授合作完成。

课题组系列研究工作得到国家自然科学基金(资助号:51776002)以及国家留学基金委(资助号:201706010268)资助。

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