Dimensional analysis of flow and heat transfer of supercritical CO<sub>2</sub> based on pseudo-boiling theory

Abstract

超临界流体广泛应用于工程技术领域, 其流动传热特性对工程设计具有重要意义, 但是, 由于超临界流体的物理微观和宏观行为的机理尚不清晰, 所以其异常的流动传热特性并未得到很好的解决. 普遍认为超临界流体在分子尺度上可分为类气和类液两种不同的特性, 直到最近通过实验在宏观上监测到超临界水类液和类气之间的转变, 且这一过程与拟沸腾理论一致, 使得问题逐渐变得清晰. 本文基于拟沸腾理论对超临界CO₂异常流动传热行为进行了研究, 在假设类液和类气转换过程不均匀的情况下, 从经典的量纲分析和亚临界过冷沸腾理论模型出发, 提出了一个适用于超临界流体拟沸腾换热过程的分析方法. 通过引入表征类气膜生长速度与流体主流平均流速之比<i>π </i>= (<i>q</i>_w·<i>ρ</i>_l)/(<i>G</i>·Δ<i>i</i>·<i>ρ</i>_g)和表征近壁区类气膜温度梯度<i>π</i>₁₃= (<i>q</i>_w·<i>β</i>_pc·<i>d</i>_i)/<i>λ</i>_g两个无量纲数, 来表征拟沸腾如何导致传热恶化, 解释了超临界CO₂竖直向上加热流动过程中的异常换热特性, 即较大的类气膜生长速度使近壁区快速聚集了较多的高温流体, 而较大的类气膜温度梯度使类气膜覆盖在壁面. 当核心的冷类液不能充分润湿热壁面时, 传热恶化. 新无量纲数较好的诠释了超临界流体拟沸腾诱导传热恶化机制, 为超临界拟沸腾传热研究提供了理论依据.