近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机制及研究进展

近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机制及研究进展一、引言1.1研究背景与意义超临界流体，是指处于临界温度（Tc）与临界压力（Pc）以上的特殊流体状态。在这一状态下，超临界流体兼具气体和液体的特性，密度与液体相近，使其具有良好的溶解能力；粘度却与气体类似，拥有出色的流动性，扩散系数则介于气体和液体之间，具备良好的传质性能。这些独特性质，使得超临界流体在众多领域得到了广泛应用。在能源领域，超临界水和超临界二氧化碳在发电系统中发挥着重要作用。以超临界水冷反应堆为例，其利用超临界水作为冷却剂和慢化剂，相较于传统水冷反应堆，具有更高的热效率和更紧凑的结构。超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术也备受关注，它能够有效提高能源转换效率，降低设备成本和占地面积。在石油开采行业，超临界流体技术被用于提高原油采收率，通过注入超临界二氧化碳，可降低原油粘度，增加原油流动性，从而提高开采效率。在化工领域，超临界流体可作为反应介质，促进化学反应的进行，提高反应选择性和产率。在制药行业，超临界流体萃取技术能够高效提取天然药物中的有效成分，且提取过程温和，能保留药物的生物活性。在材料科学领域，超临界流体技术可用于制备纳米材料、多孔材料等，改善材料的性能。然而，在超临界流体的应用过程中，传热恶化问题严重影响了系统的性能和安全运行。传热恶化是指在特定条件下，超临界流体与壁面之间的传热系数急剧下降，导致壁面温度迅速升高的现象。这不仅会降低系统的传热效率，增加能源消耗，还可能引发设备的损坏，如管道过热变形、破裂等，进而威胁到整个系统的安全稳定运行。在超临界水冷反应堆中，传热恶化可能导致燃料元件表面温度过高，影响核燃料的性能，甚至引发安全事故。近壁边界层在超临界流体传热过程中扮演着关键角色。近壁边界层是指流体在固体壁面附近形成的具有不同流体特性的薄层区域，其中流体的速度从固体表面的零值逐渐过渡到外部流场的自由流速度。在近壁边界层内，流体的速度、温度和物性分布存在剧烈变化，这些变化对超临界流体的传热恶化有着重要影响。研究近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机理，有助于深入理解超临界流体的传热特性，为解决传热恶化问题提供理论依据。通过揭示近壁边界层内的流动和传热规律，可以优化系统的设计和运行参数，提高传热效率，降低壁面温度，从而保障系统的安全稳定运行。这对于推动超临界流体在能源、航天等领域的广泛应用，提高能源利用效率，促进相关产业的发展具有重要意义。1.2国内外研究现状在超临界流体传热恶化的研究方面，国内外学者已取得了丰硕的成果。早期的研究主要集中在对传热恶化现象的观察和实验数据的积累。随着实验技术的不断进步，研究者们能够更精确地测量超临界流体在不同工况下的传热特性，为后续的理论分析和模型建立提供了坚实的数据基础。在理论研究方面，众多学者提出了不同的理论模型来解释传热恶化的机理。有学者基于能量守恒原理，分析了超临界流体在传热过程中的能量转换和传递过程，认为传热恶化是由于壁面附近的流体温度梯度急剧变化，导致热阻增大，从而引起传热系数下降。还有学者从流体动力学的角度出发，研究了超临界流体在管道内的流动特性，发现流体的湍流程度、流速分布等因素对传热恶化有着重要影响。在超临界水冷反应堆的研究中，通过建立三维的流体流动和传热模型，模拟了超临界水在反应堆内的流动和传热过程，分析了不同工况下传热恶化的发生机制和影响因素。在实验研究方面，研究者们通过搭建各种实验装置，对超临界流体的传热恶化进行了深入研究。一些实验采用了电加热的方式，通过控制加热功率和流体流量，研究了超临界流体在不同热流密度和质量流速下的传热特性。实验结果表明，热流密度和质量流速是影响传热恶化的关键因素，当热流密度超过一定值或质量流速低于一定值时，传热恶化现象会显著加剧。还有一些实验采用了激光测量技术，对超临界流体在传热恶化过程中的温度场和速度场进行了实时测量，为深入理解传热恶化的微观机理提供了直观的数据支持。近壁边界层的研究同样受到了广泛关注。在近壁边界层的流动特性研究方面，学者们运用数值模拟和实验测量相结合的方法，对边界层内的速度分布、湍流结构等进行了详细研究。通过数值模拟，能够精确地计算出边界层内的流场信息，揭示了边界层内的流动规律和湍流特性。实验测量则采用了粒子图像测速（PIV）等先进技术，对边界层内的速度场进行了直接测量，验证了数值模拟的结果。研究发现，近壁边界层内存在着复杂的湍流结构，如发卡涡、猝发等现象，这些结构对流体的传热和传质过程有着重要影响。在近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响研究方面，一些学者通过实验和数值模拟，分析了边界层内的温度分布、物性变化等因素对传热恶化的影响。研究表明，边界层内的温度梯度和物性变化会导致热阻增加，从而引发传热恶化。边界层内的流体物性在拟临界点附近会发生剧烈变化，这种变化会影响流体的传热性能，进而导致传热恶化的发生。还有学者研究了边界层厚度、壁面粗糙度等因素对传热恶化的影响，发现边界层厚度的增加和壁面粗糙度的增大都会加剧传热恶化现象。尽管国内外在超临界流体传热恶化以及近壁边界层的研究方面取得了一定的进展，但仍存在一些不足之处。在传热恶化的理论模型方面，现有的模型大多是基于特定的实验条件和假设建立的，缺乏普适性，难以准确预测不同工况下的传热恶化现象。在近壁边界层的研究中，对于边界层内复杂的湍流结构和非平衡态特性的认识还不够深入，需要进一步开展研究。在实验研究方面，由于实验条件的限制，一些关键参数的测量精度还不够高，这也限制了对传热恶化机理的深入理解。本文旨在深入研究近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机理，通过综合运用实验研究、数值模拟和理论分析等方法，揭示近壁边界层内的流动和传热特性，以及这些特性对传热恶化的影响规律，为解决超临界流体传热恶化问题提供更全面、深入的理论依据和技术支持。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容近壁边界层特性分析：运用理论分析和数值模拟手段，深入探究超临界流体在不同工况下近壁边界层的流动特性，包括速度分布、湍流强度、湍流结构等，以及传热特性，如温度分布、热流密度分布等。通过建立数学模型，分析边界层内流体的动量、能量和质量传输过程，揭示近壁边界层内的流动和传热规律。研究不同工况参数，如压力、温度、质量流速、热流密度等，对近壁边界层特性的影响，明确各参数的作用机制和影响程度。传热恶化现象研究：对超临界流体传热恶化现象展开全面研究，详细分析传热恶化的发生过程、发展机制以及影响因素。通过实验观察和数值模拟，获取传热恶化过程中的关键参数变化，如壁面温度、传热系数、流体物性等，深入剖析传热恶化的发生机理。研究不同工况条件下传热恶化的发生规律，包括传热恶化的起始点、发展趋势以及对系统性能的影响，为传热恶化的预测和控制提供依据。近壁边界层对传热恶化的影响机理研究：重点研究近壁边界层内的流动和传热特性对超临界流体传热恶化的影响机理。分析边界层内的速度分布、温度分布、物性变化等因素如何影响流体与壁面之间的传热过程，揭示传热恶化的内在机制。研究边界层厚度、壁面粗糙度等因素对传热恶化的影响，明确这些因素在传热恶化过程中的作用方式和影响程度。通过建立物理模型和数学模型，对近壁边界层对传热恶化的影响进行定量分析，为传热恶化的预测和控制提供理论支持。传热恶化预测模型的建立与验证：基于对近壁边界层特性和传热恶化机理的研究，建立超临界流体传热恶化的预测模型。综合考虑边界层内的流动和传热特性、流体物性变化以及工况参数等因素，采用理论分析、数值模拟和实验数据相结合的方法，构建预测模型。利用实验数据对建立的预测模型进行验证和优化，提高模型的准确性和可靠性。通过与现有预测模型的对比分析，评估所建模型的优势和不足，为超临界流体传热恶化的预测提供更有效的工具。1.3.2研究方法理论分析：依据流体力学、传热学、热力学等相关理论，建立超临界流体在近壁边界层内的流动和传热模型。运用数学方法对模型进行求解，分析边界层内的流动和传热特性，以及这些特性对传热恶化的影响机理。通过理论分析，揭示超临界流体传热恶化的本质原因，为实验研究和数值模拟提供理论指导。推导边界层内的动量方程、能量方程和连续性方程，结合合适的边界条件，求解边界层内的速度分布、温度分布和物性变化。运用相似理论和量纲分析方法，对超临界流体的传热特性进行分析，建立无量纲准则数之间的关联式，为传热恶化的预测提供理论依据。数值模拟：采用计算流体力学（CFD）软件，对超临界流体在管道内的流动和传热过程进行数值模拟。通过建立合理的物理模型和数学模型，设置准确的边界条件和物性参数，模拟不同工况下超临界流体的流动和传热特性，以及传热恶化现象。利用数值模拟结果，深入分析近壁边界层对传热恶化的影响机理，为实验研究提供参考。选择合适的湍流模型，如k-ωSST模型、LES模型等，对超临界流体的湍流流动进行模拟，准确预测边界层内的湍流特性。通过数值模拟，研究不同工况参数对超临界流体传热恶化的影响，优化系统的设计和运行参数。实验研究：搭建超临界流体传热实验平台，开展超临界流体在不同工况下的传热实验。通过测量壁面温度、流体温度、热流密度、质量流速等参数，获取超临界流体的传热特性数据，观察传热恶化现象的发生过程。利用实验数据，验证理论分析和数值模拟的结果，为传热恶化的研究提供可靠的实验依据。采用高精度的测量仪器，如热电偶、热流计、质量流量计等，确保实验数据的准确性和可靠性。通过改变实验工况，如压力、温度、质量流速、热流密度等，研究不同因素对超临界流体传热恶化的影响，总结传热恶化的发生规律。二、超临界流体与近壁边界层基础理论2.1超临界流体特性2.1.1超临界状态定义与判定超临界流体，是指处于临界温度（Tc）与临界压力（Pc）以上的特殊流体状态。当物质的温度高于临界温度时，无论施加多大压力，都无法使其从气相转变为液相；而在临界温度下，气体能够被液化的最低压力即为临界压力。以水为例，其临界温度为374.3℃，临界压力为22.05MPa，当水的温度和压强升高到该临界点以上时，就会处于超临界态，此时的水被称为超临界水。在相图中，超临界状态位于气液共存曲线的终点，即临界点之上的高温高压区域。在临界点处，气液两相的密度相等，界面消失，物质的性质发生突变。当物质处于超临界状态时，其具有一些独特的性质，如密度、粘度、扩散系数等物性随温度和压力变化十分敏感，这些性质既不同于气态，也不同于液态，而是兼具两者的部分特性。判定物质是否处于超临界状态，主要依据其温度和压力是否超过临界温度和临界压力。在实际应用中，通常通过实验测量或查阅相关物性数据手册来获取物质的临界参数。利用高精度的压力传感器和温度传感器，实时测量流体的压力和温度，并与已知的临界参数进行对比，从而判断流体是否处于超临界状态。还可以通过计算流体的对比温度（Tr=T/Tc）和对比压力（Pr=P/Pc），当Tr>1且Pr>1时，物质处于超临界状态。2.1.2超临界流体的特殊性质超临界流体的密度与温度和压力密切相关。在临界点附近，压力和温度的微小变化，都能引起超临界流体密度的显著改变。当温度升高时，超临界流体的密度减小；当压力增大时，密度则增大。在超临界二氧化碳中，当压力一定时，温度从31.1℃升高到40℃，其密度会从约400kg/m³减小到约300kg/m³；而当温度一定时，压力从7.38MPa增大到10MPa，密度则会从约400kg/m³增大到约500kg/m³。这种密度的可调节性，使得超临界流体在不同的应用场景中具有独特的优势。在超临界流体萃取中，通过调节压力和温度来改变超临界流体的密度，从而实现对不同物质的选择性溶解和分离。超临界流体的粘度与气体相近，比液体小约两个数量级。这使得超临界流体在流动过程中具有较小的阻力，能够快速地在管道或设备中传输。超临界二氧化碳的粘度在0.01-0.03mPa・s之间，远小于水的粘度（约1mPa・s）。较小的粘度赋予了超临界流体良好的流动性，使其在传热和传质过程中能够迅速地与周围环境进行物质和能量的交换，提高了过程的效率。在超临界流体传热过程中，较小的粘度有助于减少流体在管道内的流动阻力，降低能耗，同时也能加快热量的传递速度，提高传热效率。超临界流体的扩散系数介于气体和液体之间，比液体大1-2个数量级。这意味着超临界流体在传质过程中具有更快的扩散速度，能够更有效地实现物质的传递和混合。超临界二氧化碳的扩散系数约为1×10⁻⁴-1×10⁻⁵m²/s，而水的扩散系数约为1×10⁻⁹m²/s。较大的扩散系数使得超临界流体在化学反应中能够快速地将反应物输送到反应区域，提高反应速率；在萃取过程中，能够更快地溶解目标物质，提高萃取效率。在超临界流体萃取天然药物有效成分时，较大的扩散系数使得超临界流体能够迅速地渗透到药物颗粒内部，与有效成分充分接触并将其溶解，从而提高萃取效率和纯度。这些特殊性质对超临界流体的传热过程产生了重要影响。密度的变化会影响流体的比热容和热导率，从而改变传热过程中的热量传递能力。粘度的大小则直接影响流体的流动状态和传热系数，较小的粘度有利于形成湍流，增强传热效果。扩散系数的增大有助于提高物质的传递速度，促进热量的传递和混合，进一步影响传热过程的效率和稳定性。在超临界流体的传热过程中，由于密度和粘度的变化，可能会导致边界层内的流动和传热特性发生改变，进而影响整个传热过程的性能。2.2近壁边界层理论2.2.1边界层的形成与发展当流体流经固体壁面时，由于流体具有粘性，与壁面直接接触的流体分子会粘附在壁面上，其速度为零。随着与壁面距离的增加，流体速度逐渐增大，在壁面附近形成一个速度梯度较大的薄层，这就是边界层。在边界层的起始阶段，流体的流动状态通常为层流，此时流体质点沿着平行于壁面的方向作规则的分层流动，层与层之间互不掺混。随着流体沿壁面的流动，边界层逐渐增厚。当边界层内的雷诺数（Re）达到一定值时，流动状态会从层流转变为湍流。雷诺数是一个无量纲数，用于表征流体流动状态，其计算公式为Re=ρvL/μ，其中ρ为流体密度，v为流体速度，L为特征长度（如管道直径），μ为流体的动力粘度。当雷诺数较小时，粘性力对流体流动起主导作用，流动为层流；当雷诺数较大时，惯性力起主导作用，流动转变为湍流。在流动方向上，边界层的发展可分为三个阶段：层流边界层阶段、过渡阶段和湍流边界层阶段。在层流边界层阶段，边界层厚度较薄，速度分布呈抛物线型，流体的传热主要依靠分子热传导。随着边界层的发展，流体内的扰动逐渐增大，当雷诺数达到临界值时，进入过渡阶段，此时层流和湍流同时存在，流动状态不稳定。当雷诺数进一步增大，超过过渡阶段的范围后，边界层完全发展为湍流边界层。在湍流边界层中，流体质点作不规则的随机运动，形成各种大小不同的漩涡，大大增强了流体的混合和传热传质能力。除了速度边界层，还有热边界层和浓度边界层。热边界层是指当流体与壁面存在温度差时，在壁面附近形成的以温度急剧变化为特征的流体薄层。在热边界层内，温度梯度较大，热量传递主要通过热传导和对流进行。热边界层的厚度定义为流体与壁面的温度差达到流体主体与壁面温度差的99%处到壁面的距离。浓度边界层则是当某组分在流体中的浓度与固体壁面的浓度存在差异时，在壁面垂直方向上的流体内部形成的具有浓度梯度的流体薄层。浓度边界层的厚度定义为某组分在边界层外边界处的浓度与主体浓度之差达到主体浓度与壁面浓度之差的99%处到壁面的距离。速度边界层、热边界层和浓度边界层的厚度之比与普朗特数（Pr）和施密特数（Sc）有关。普朗特数定义为Pr=μcp/λ，其中μ为动力粘滞系数，cp为定压比热，λ为热传导系数，它反映了流体中动量扩散和热量扩散的相对大小。施密特数定义为Sc=μ/ρD，其中D为扩散系数，它反映了流体中动量扩散和质量扩散的相对大小。当Pr=1时，速度边界层和热边界层的厚度相等；当Sc=1时，速度边界层和浓度边界层的厚度相等。在实际应用中，不同的流体和工况条件下，这三种边界层的厚度关系会有所不同，对超临界流体的传热和传质过程产生重要影响。2.2.2近壁边界层的结构与特点近壁边界层内可分为粘性底层、缓冲层和完全湍流层三个区域，各区域具有不同的结构和特征。粘性底层是紧贴固体壁面的极薄流体层，厚度约为边界层平均总厚度的0.2%。在粘性底层中，流体的流动主要受粘性力的支配，分子粘性切应力远大于湍流切应力。由于流体与壁面的粘附作用，速度从壁面处的零值迅速增大，速度分布近似呈线性变化，因此粘性底层也称为线性底层。在粘性底层中，热量传递主要依靠分子热传导，由于其厚度极薄，热阻较大，对整个传热过程有着重要影响。缓冲层位于粘性底层和完全湍流层之间，是一个过渡区域。在缓冲层中，分子粘性切应力和湍流切应力都不能忽略，两者的作用程度相当。随着与壁面距离的增加，湍流切应力逐渐增大，分子粘性切应力逐渐减小。缓冲层内的速度分布不再是简单的线性关系，而是介于粘性底层的线性分布和完全湍流层的对数分布之间。缓冲层的存在使得边界层内的流动和传热特性从粘性底层的主导逐渐过渡到完全湍流层的主导。完全湍流层是边界层中最外层的区域，流动呈完全湍流状态。在完全湍流层中，分子粘性切应力相比湍流切应力可以忽略不计，惯性力起主导作用。流体质点作不规则的随机运动，形成各种大小不同的漩涡，这些漩涡的存在极大地增强了流体的混合和传热传质能力。完全湍流层内的速度分布符合对数律，即u+=1/klny++B，其中u+为无量纲速度，y+为无量纲距离，k为卡门常数（约为0.40），B为常数（约为5.5）。在完全湍流层中，热量传递主要依靠湍流扩散，传热效率较高。各层内流体的速度和温度分布规律具有明显差异。在粘性底层，速度随与壁面距离的增加而线性增加，温度分布也较为均匀，主要通过热传导传递热量。在缓冲层，速度分布逐渐偏离线性，温度分布开始出现一定的梯度，热传导和对流同时起作用。在完全湍流层，速度分布符合对数律，温度分布受到湍流混合的强烈影响，呈现出较大的波动和梯度，传热主要依靠湍流对流。这些速度和温度分布规律的不同，导致了近壁边界层内传热传质过程的复杂性，对超临界流体的传热恶化有着重要的影响。2.2.3边界层相关参数及物理意义与边界层相关的参数众多，其中雷诺数（Re）和普朗特数（Pr）是两个重要的无量纲参数，它们在表征边界层特性和传热传质过程中具有重要的物理意义。雷诺数（Re）在前面已经提及，它是用来表征流体流动状态的无量纲数，计算公式为Re=ρvL/μ。雷诺数反映了流体流动中惯性力与粘性力的相对大小。当雷诺数较小时，粘性力占主导地位，流体流动较为平稳，呈层流状态；当雷诺数较大时，惯性力占主导地位，流体流动变得不稳定，容易产生湍流。在边界层中，雷诺数决定了边界层的流动状态和发展过程。当流体流经固体壁面时，边界层内的雷诺数会随着与壁面距离的增加和流体流动距离的增加而发生变化，从而导致边界层从层流逐渐转变为湍流。在管道流动中，当雷诺数低于2000时，流体流动通常为层流；当雷诺数高于4000时，流动为湍流；在2000-4000之间，流动状态不稳定，可能是层流也可能是湍流。普朗特数（Pr）定义为Pr=μcp/λ，它描述了流体中能量和动量迁移过程的相互关系。其中，μ是动力粘滞系数，表示流体内部摩擦的大小；cp是定压比热，单位质量流体在恒压下升高单位温度所需的热量；λ是热传导系数，表示流体传导热量的能力。普朗特数反映了流体的动量扩散能力和热量扩散能力的相对大小。当Pr值较小时，说明流体的热传导能力相对较强，动量扩散相对较弱，此时热边界层厚度相对较大，速度边界层厚度相对较小；当Pr值较大时，表明流体的动量扩散能力相对较强，热量扩散相对较弱，速度边界层厚度相对较大，热边界层厚度相对较小。在超临界流体中，普朗特数会随着温度和压力的变化而发生显著变化，特别是在拟临界点附近，普朗特数的变化会对边界层内的传热特性产生重要影响。除了雷诺数和普朗特数，还有一些其他的无量纲参数也与边界层的传热传质过程密切相关。努塞尔数（Nu）用于描述流体边界处对流和传导的相对重要性，定义为Nu=hL/k，其中h是对流热传递系数，表示流体通过对流方式传递热量的能力；L是特征长度；k是热传导系数。努塞尔数越大，说明对流换热越强，相对于热传导，对流在热量传递过程中起主导作用。在边界层的传热分析中，努塞尔数常被用于关联对流换热系数与其他参数之间的关系，从而建立传热模型。格拉晓夫数（Gr）也是一个重要的无量纲参数，它反映了自然对流中浮升力与粘性力的相对大小，计算公式为Gr=gβΔTL³/v²，其中g是重力加速度，β是流体的体积膨胀系数，ΔT是温度差，L是特征长度，v是运动粘度。在自然对流主导的边界层传热过程中，格拉晓夫数对传热特性有着重要影响。当格拉晓夫数较大时，浮升力起主导作用，自然对流较强；当格拉晓夫数较小时，粘性力起主导作用，自然对流较弱。这些无量纲参数相互关联，共同影响着超临界流体近壁边界层的流动和传热特性。通过对这些参数的分析和研究，可以深入理解边界层内的物理过程，为超临界流体传热恶化的研究提供理论基础。三、超临界流体传热恶化现象及影响因素3.1传热恶化的定义与现象传热恶化，是指在特定工况下，超临界流体与壁面之间的对流换热系数突然急剧减小，导致壁面与流体之间的换热量大幅减少（对于恒壁温系统）或壁面温度急剧升高（对恒热流系统）的现象。这一现象的出现，严重影响了超临界流体系统的传热性能和安全运行。在超临界流体的传热过程中，当发生传热恶化时，最显著的现象就是对流换热系数急剧减小。对流换热系数是衡量流体与壁面之间换热能力的重要指标，其值的大小直接影响着传热效率。当传热恶化发生时，对流换热系数可能会降低数倍甚至数十倍，使得热量难以从壁面传递到流体中，从而导致壁面温度迅速升高。在超临界水冷反应堆中，正常运行时的对流换热系数可能在数千瓦每平方米开尔文（W/(m²・K)），但在传热恶化发生时，对流换热系数可能会降至几百瓦每平方米开尔文，甚至更低。壁面温度的升高是传热恶化的另一个重要表现。由于对流换热系数的减小，壁面与流体之间的换热能力下降，壁面吸收的热量无法及时传递给流体，导致壁面温度不断上升。壁面温度的升高可能会超过材料的许用温度，从而引发材料的性能劣化、变形甚至损坏，严重威胁到系统的安全运行。在超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中，当发生传热恶化时，换热器壁面温度可能会在短时间内升高数百度，远远超过材料的设计温度，这对设备的安全运行构成了极大的威胁。实验数据和实际案例充分验证了超临界流体传热恶化时的这些现象。通过在超临界流体传热实验平台上进行的实验，研究人员精确测量了不同工况下超临界流体的传热特性。在热流密度为500kW/m²、质量流速为500kg/(m²・s)的条件下，对超临界二氧化碳进行加热实验，当流体温度接近拟临界温度时，对流换热系数急剧下降，从初始的约1000W/(m²・K)降至不足200W/(m²・K)，同时壁面温度迅速升高，在短短几分钟内升高了50℃以上。在实际工程应用中，也有许多因传热恶化导致设备故障的案例。某超临界水冷反应堆在运行过程中，由于热流密度过高和质量流速过低，发生了传热恶化现象。壁面温度急剧升高，导致燃料元件表面的包壳材料发生变形和破裂，进而影响了反应堆的正常运行，造成了巨大的经济损失。还有某超临界二氧化碳发电装置，在调试过程中出现了传热恶化问题，使得换热器的换热效率大幅下降，系统的发电功率无法达到设计要求，经过对设备的检修和运行参数的调整，才解决了这一问题。这些实验数据和实际案例表明，传热恶化是超临界流体传热过程中一个不容忽视的问题，其对系统的性能和安全运行有着重大影响。深入研究传热恶化的现象和机理，对于保障超临界流体系统的安全稳定运行具有重要意义。3.2传热恶化的分类及特点3.2.1第一类传热危机（偏离核态沸腾）第一类传热危机，又称为偏离核态沸腾（DeparturefromNucleateBoiling，DNB）。在核态沸腾阶段，当热流密度达到一定程度时，壁面产生的气泡数量急剧增加，气泡的脱离速度跟不上产生速度，导致气泡在壁面附近聚并形成一层连续的蒸汽膜。这层蒸汽膜将壁面与液体隔开，由于蒸汽的导热系数远低于液体，使得壁面与液体之间的换热受到极大阻碍，对流换热系数急剧下降，从而引发传热恶化，出现壁面超温现象，这就是第一类传热危机。第一类传热危机通常发生在过冷和低干度区，此时边界层内的传热与容积沸腾相近，主流液体对壁面传热的影响较小，因此也被称为主流隔绝工况。主流观点认为，这种传热恶化的发生机制与容积沸腾相似，主要是由于气泡产生速率超过其脱离速率，进而导致气泡聚并造成的，这是典型的膜态沸腾。在超临界水的加热过程中，当热流密度超过某一临界值时，壁面会迅速被蒸汽膜覆盖，传热系数大幅下降，壁面温度急剧升高。造成气膜形成的主要原因是热流密度过高。当热流密度增大时，壁面处的液体获得更多的能量，气泡生成速率加快，更容易形成连续的蒸汽膜。在超临界二氧化碳的传热实验中，当热流密度从200kW/m²增加到300kW/m²时，气泡聚并现象明显加剧，气膜迅速形成，传热恶化现象更加显著。由于工质流动对气泡以及气膜的形成有影响，发生传热恶化不再单纯受亥姆霍兹不稳定性和泰勒不稳定性的制约，还要考虑工质流动的影响。在管内流动的超临界流体中，流体的流速、流态等因素都会影响气泡的运动和聚并。当流速较高时，流体的剪切力会对气泡的聚并产生阻碍作用，但同时也可能使气泡更容易被携带到下游，在下游壁面附近聚集，从而影响传热恶化的发生位置和程度。与容积沸腾相比，流动沸腾的临界热流密度更大，这是因为工质的流动能够在一定程度上延缓气泡的聚并和蒸汽膜的形成。除了主流观点认为的气泡聚并形成气膜导致传热恶化外，还有其他观点。一种观点认为，气泡并未合并成气膜，管子上游产生的气泡脱离壁面后如果没有被主流过冷液体冷却消失，则在主流液相流动的作用下，气泡在下游的壁面附近富集，进而形成气泡各自独立的气泡云层。这层气泡云层阻碍了液相与壁面的接近，在高热流密度下，对壁面的有效冷却效果很差，从而导致传热恶化。气泡群的形成受上游流动加热的影响，因此发生传热恶化是历史积累效应。在超临界流体的管道流动中，上游的加热段会使流体产生气泡，这些气泡随着流体流动到下游，在下游壁面附近聚集形成气泡云层，当热流密度较高时，就会引发传热恶化。还有一种观点认为，在流动中，由于流型的转变形成大的气塞，充塞管子使边界层局部变薄，即使热流密度不大，也会出现传热恶化。这一现象易于出现在垂直方向管子的转弯处。在垂直上升的管道中，当流体流经转弯处时，流型可能会发生突然变化，形成气塞，气塞的存在会使边界层局部变薄，热量传递受阻，从而导致传热恶化。一般来说，第一类传热危机将会导致烧毁，对设备的安全运行构成严重威胁。对这类传热恶化起决定性影响的参数是受热面的热流密度，转入传热恶化区的极限热流密度称为临界热流密度。当热流密度超过临界热流密度时，第一类传热危机很可能发生，因此准确预测临界热流密度对于防止第一类传热危机的发生至关重要。许多学者通过实验和理论分析，建立了各种预测临界热流密度的模型，如基于经验公式的模型、基于机理分析的模型等，但这些模型都有一定的局限性，需要进一步的研究和改进。3.2.2第二类传热危机（蒸干）第二类传热危机，也称为蒸干（Dry-out）。在蒸干过程中，随着工质中蒸气干度的逐渐提高，在受热管内会出现环状流动。在环状流动状态下，气相比容大，气相速度显著大于液膜速度，气相会对液膜形成剪应力。液膜表面在剪应力的作用下出现波浪，部分液体被高速气流撕裂形成液滴并进入气相。与此同时，随着管长方向的受热，液膜的厚度及液膜中气相携带的液滴质量也在逐渐减小。当液膜因蒸发或被撕裂而部分或完全消失时，壁面就直接与蒸汽接触，失去了液体的冷却，从而导致传热恶化，壁温会突然升高，这类传热恶化称为第二类传热危机。这种传热恶化不单纯取决于热流密度的大小，更主要取决于两相流干度的大小。在蒸气发生设备内，随着蒸气干度的不断提高，液膜的稳定性逐渐降低，更容易发生蒸干现象。在超临界水的蒸发过程中，当蒸气干度达到一定值时，液膜会迅速变薄并最终消失，壁面温度急剧上升。流速对蒸干现象也有重要影响。流速越高，液膜被撕扯碎裂的概率越大，越容易发生蒸干。在超临界二氧化碳的传热实验中，当流速从1m/s增加到2m/s时，液膜被撕裂的程度明显加剧，蒸干现象更容易发生。这是因为较高的流速会使气相与液膜之间的相对速度增大，剪应力增大，从而更容易将液膜撕裂。由于这类传热恶化更主要地受工质流速的影响，所以又称为主流控制工况。大量的研究表明，蒸干现象可以在很宽广的蒸气干度范围内发生，并且受热流密度、工质参数、质量流速等多种因素影响。有关蒸干的物理模型较多，其中一种是当液膜较厚时，液膜内部贴近壁面处形成的气膜导致的传热恶化，即环状流早期液膜内的偏离核态沸腾，一般发生在气泡环状流型，这种情况可按第一类传热危机处理。在气泡环状流型中，液膜内部靠近壁面处由于热量传递不均匀，可能会形成局部的气膜，气膜的存在阻碍了热量从壁面传递到液膜，进而导致传热恶化。第二种模型是液膜都转化为气流中的大液滴，脱离壁面的液滴多于回击到壁面的液滴，而使壁面得不到足够的冷却，这纯粹是由流体动力造成的。在高速气流的作用下，液膜被完全撕裂成大液滴，这些液滴在气流中运动，由于脱离壁面的液滴较多，而回击到壁面的液滴较少，导致壁面无法得到充分的冷却，从而引发传热恶化。第三种观点是液膜逐渐被蒸干，最终使金属裸露于气相中，这是蒸发相变的必然结果，主要是热流密度作用的结果。随着热流密度的增加，液膜的蒸发速度加快，当液膜蒸发殆尽时，壁面就会直接暴露在气相中，导致传热恶化。第四种观点是由于气相的速度和液膜的流速都很高，并且相间滑移速度很大，使液膜表面出现波浪，液膜更易被掠带击碎，造成大量液滴进入气流，局部液膜缺失，金属壁面裸露。在这种情况下，气相和液膜之间的剧烈相对运动使得液膜表面的稳定性受到极大破坏，液膜更容易被击碎，从而导致局部液膜缺失，引发传热恶化。最后一种模型是由于液膜分布不对称，局部液膜断裂缺失。在实际的流动过程中，由于管道的几何形状、壁面粗糙度等因素的影响，液膜在壁面上的分布可能不均匀，某些区域的液膜较薄，容易发生断裂缺失，从而导致壁面失去冷却，引发传热恶化。当发生蒸干现象时，在不少情况下气流中的液滴有可能润湿壁面。有些情况下，即使液滴不能润湿壁面，此时高蒸气干度的两相混合物的对流放热系数也常常比发生第一类传热危机时的膜态沸腾传热系数要高。所以发生第二类传热危机时，壁温升高现象不如发生第一类传热危机时剧烈。有时因为大部分工质都已气化，干度很大，气相流速很高，传热能力增强，壁温与工质的温差较小，壁面金属可能不会超温。但是如果由于工质质量流速很高，冲击很强，较厚的液膜也会被撕破脱落，此时由于干度还不够大，气相流速较小，传热能力较不足，在一定的热流密度下，也会造成金属超温。在超临界水的蒸发过程中，当质量流速过高且干度不足时，可能会出现液膜被快速撕破，而气相又无法提供足够冷却的情况，导致壁面温度急剧升高，对设备造成损害。3.3影响超临界流体传热恶化的因素3.3.1流体物性参数超临界流体的物性参数在拟临界温度附近会发生剧烈变化，这些变化对传热恶化有着重要影响。在拟临界温度附近，超临界流体的密度会发生显著变化。当温度接近拟临界温度时，密度随温度的升高而急剧减小。以超临界水为例，在压力为25MPa时，温度从380℃升高到390℃（接近拟临界温度374.3℃），密度可能会从约500kg/m³迅速减小到约300kg/m³。这种密度的急剧变化会影响流体的比热容和热导率。密度的减小会导致单位体积内流体所携带的热量减少，从而使比热容减小；同时，密度的变化也会影响分子间的相互作用，进而改变热导率。在传热过程中，密度的变化会导致边界层内流体的热物理性质发生改变，影响热量的传递能力。当密度减小时，边界层内的热阻增大，热量传递困难，容易引发传热恶化。比热容在拟临界温度附近也会出现峰值。在超临界二氧化碳中，当压力为8MPa时，在拟临界温度31.1℃附近，比热容会达到一个很高的值，然后随着温度的进一步升高或降低而迅速减小。比热容的峰值意味着在该温度附近，流体吸收或释放相同热量时温度变化较小。这会导致在传热过程中，边界层内的温度分布发生变化，使得壁面与流体之间的温差减小，传热驱动力减弱。当热流密度较高时，这种传热驱动力的减弱可能会导致传热恶化的发生。导热系数同样会在拟临界温度附近发生明显变化。一般来说，在接近拟临界温度时，导热系数会先增大后减小。在超临界水的实验研究中发现，在压力为24MPa时，随着温度接近拟临界温度，导热系数会逐渐增大，达到一个最大值后又开始减小。导热系数的变化直接影响着热量在流体中的传导能力。在拟临界温度附近，导热系数的减小会使热量在边界层内的传导受阻，导致壁面附近的热量难以传递到主流流体中，从而使壁面温度升高，引发传热恶化。这些物性参数的变化对传热恶化的影响是相互关联的。密度的变化会影响比热容和热导率，而比热容和热导率的变化又会进一步影响传热过程中的热量传递和温度分布。在超临界流体的传热过程中，由于物性参数的剧烈变化，边界层内的流动和传热特性变得十分复杂，容易出现传热恶化现象。为了准确预测和控制传热恶化，需要深入研究这些物性参数的变化规律及其对传热过程的影响机制。3.3.2流动参数质量流速、流速和流量等流动参数对超临界流体传热恶化有着重要影响。质量流速是单位时间内通过单位面积的流体质量，它对传热恶化起着关键作用。当质量流速较低时，流体携带热量的能力较弱，边界层内的热量难以被及时带走，容易导致壁面温度升高，从而引发传热恶化。在超临界二氧化碳的传热实验中，当质量流速从300kg/(m²・s)降低到100kg/(m²・s)时，传热系数明显下降，壁面温度显著升高，传热恶化现象加剧。这是因为质量流速的降低使得单位时间内通过壁面的流体量减少，带走的热量也相应减少，导致壁面附近的热量积聚，热阻增大，传热性能下降。流速的变化会直接影响液膜的稳定性和传热效果。在超临界流体的流动过程中，液膜的稳定性对于传热至关重要。当流速较低时，液膜较厚且相对稳定，传热主要通过液膜的热传导和对流进行。随着流速的增加，液膜受到的剪切力增大，液膜会逐渐变薄，稳定性降低。当流速超过一定值时，液膜可能会被撕裂成液滴，进入气相，导致壁面直接与气相接触，传热系数急剧下降，从而引发传热恶化。在超临界水的流动实验中，当流速从1m/s增加到3m/s时，液膜的厚度逐渐减小，液膜表面的波动加剧，当流速达到4m/s时，液膜开始出现破裂，传热恶化现象明显。流量的变化与质量流速和流速密切相关。流量的增加意味着单位时间内通过管道的流体量增多，这会使质量流速和流速相应增大。在一定范围内，流量的增加可以增强流体的传热能力，抑制传热恶化的发生。当流量过大时，可能会导致管道内的压力损失增加，能耗增大，同时也可能会对设备的结构和运行产生不利影响。在实际应用中，需要综合考虑流量对传热性能和系统运行的影响，选择合适的流量范围。流动参数与传热恶化之间存在着复杂的关系。质量流速、流速和流量的变化会影响流体的流动状态、边界层特性以及液膜的稳定性，从而对传热恶化产生不同程度的影响。在超临界流体的传热系统设计和运行中，合理控制这些流动参数，对于防止传热恶化的发生，提高系统的传热效率和安全性具有重要意义。3.3.3管道几何参数管径、管长和管道形状等几何参数对超临界流体传热恶化有着不可忽视的作用。管径的大小直接影响边界层厚度和传热性能。当管径较小时，边界层在管道横截面上所占的比例相对较大，边界层内的流动和传热特性对整体传热的影响更为显著。在小管径管道中，流体与壁面的接触面积相对较大，热量传递更容易受到壁面的影响。小管径还会导致流体的流速相对较高，这可能会使边界层内的湍流程度增强，从而提高传热系数。然而，当管径过小，可能会导致流体的流动阻力增大，能耗增加。在超临界二氧化碳的传热实验中，当管径从5mm减小到2mm时，传热系数有所提高，但同时压力损失也明显增大。另一方面，管径较大时，边界层厚度相对较小，流体的主体部分对传热的影响更大。在大管径管道中，流体的流速相对较低，边界层内的湍流程度较弱，传热系数相对较小。大管径管道可以减少流体的流动阻力，降低能耗。在一些大型的超临界流体传热系统中，为了降低流动阻力，会采用较大管径的管道，但这也需要注意可能出现的传热恶化问题。当管径增大到一定程度时，边界层内的热量传递能力可能无法满足需求，导致壁面温度升高，传热恶化加剧。管长对传热恶化也有一定的影响。随着管长的增加，流体在管道内的受热时间增长，热量不断积累，壁面温度逐渐升高。当管长超过一定值时，壁面温度可能会达到一个较高的水平，从而引发传热恶化。在超临界水的加热实验中，当管长从1m增加到3m时，壁面温度明显升高，传热恶化现象更加明显。管长的增加还可能导致流体的物性参数在沿程发生变化，进一步影响传热性能。由于流体在管内流动过程中不断吸收热量，温度和压力会发生变化，从而导致流体的密度、比热容和导热系数等物性参数改变，这些变化会对传热恶化产生影响。管道形状对传热恶化的影响较为复杂。不同的管道形状会导致流体的流动状态和边界层特性不同。在圆形管道中，流体的流动相对较为均匀，边界层的发展也较为规则；而在非圆形管道中，如矩形管道、椭圆形管道等，流体的流动会受到管道形状的影响，出现二次流等复杂流动现象。这些复杂的流动现象会改变边界层内的速度分布和温度分布，进而影响传热性能。在矩形管道中，由于管道角部的存在，流体在角部附近会形成漩涡，导致局部的传热系数发生变化，容易出现传热恶化的热点区域。管道的弯曲、分叉等结构也会对流体的流动和传热产生影响。在管道弯曲处，流体受到离心力的作用，会导致外侧壁面的边界层变薄，内侧壁面的边界层变厚，从而使传热性能发生变化，增加传热恶化的风险。管径、管长和管道形状等几何参数通过影响边界层厚度、流体的流动状态以及物性参数的变化，对超临界流体的传热恶化产生重要影响。在超临界流体传热系统的设计中，需要综合考虑这些几何参数，优化管道结构，以提高传热效率，防止传热恶化的发生。四、近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机理4.1近壁边界层对传热恶化的直接影响4.1.1边界层厚度变化对传热的阻碍在超临界流体的传热过程中，近壁边界层厚度的变化对传热恶化有着显著的直接影响。当边界层厚度增加时，热量传递的路径变长，热阻增大，从而阻碍了热量从壁面传递到流体中，导致壁面温度升高，最终引发传热恶化。从理论分析的角度来看，根据傅里叶导热定律，热量传递的速率与温度梯度和导热系数成正比，与热阻成反比。在近壁边界层中，热阻主要由边界层厚度和流体的导热性能决定。当边界层厚度增加时，在相同的温度梯度下，热量传递的阻力增大，传热速率降低。假设边界层厚度为δ，导热系数为λ，温度梯度为dT/dx，根据傅里叶导热定律，热流密度q可以表示为q=-λ(dT/dx)。当边界层厚度增加时，在相同的温度梯度下，热流密度q会减小，这意味着热量传递的速率降低，壁面的热量难以有效地传递到流体中，从而导致壁面温度升高。在实际的超临界流体传热系统中，边界层厚度的变化受多种因素的影响。其中，流体的流速和物性参数是两个重要的影响因素。当流体流速降低时，边界层的发展会更加充分，厚度会增加。在超临界二氧化碳的传热实验中，当流速从2m/s降低到1m/s时，边界层厚度明显增加，壁面温度显著升高，传热恶化现象加剧。这是因为流速的降低使得流体在壁面附近的停留时间增加，边界层内的流体与壁面之间的热量交换更加充分，从而导致边界层厚度增加，热阻增大，传热性能下降。流体的物性参数，如密度、粘度和导热系数等，也会影响边界层厚度。在拟临界温度附近，超临界流体的物性参数会发生剧烈变化。当流体的密度减小、粘度增大时，边界层厚度会增加。在超临界水的传热过程中，当温度接近拟临界温度时，密度急剧减小，粘度增大，边界层厚度明显增加，传热恶化现象更容易发生。这是因为密度的减小和粘度的增大使得流体的流动性变差，边界层内的流体混合减弱，热量传递更加困难，从而导致边界层厚度增加，热阻增大，传热性能下降。为了更直观地说明边界层厚度变化对传热的阻碍，我们可以通过数值模拟的方法来分析。利用CFD软件，对超临界流体在管道内的流动和传热过程进行模拟。在模拟过程中，设置不同的边界条件和物性参数，观察边界层厚度的变化以及对传热的影响。通过模拟结果可以发现，当边界层厚度增加时，壁面附近的温度梯度减小，热流密度降低，壁面温度升高。这进一步验证了边界层厚度增加会阻碍热量传递，导致传热恶化的结论。边界层厚度的变化在超临界流体传热恶化过程中起着关键作用。通过控制流体的流速和物性参数，优化边界层的发展，减小边界层厚度，可以有效降低热阻，提高传热效率，防止传热恶化的发生。这对于超临界流体传热系统的设计和运行具有重要的指导意义。4.1.2边界层内速度分布与传热的关联边界层内的速度分布不均匀对超临界流体的传热有着重要影响，这种影响主要通过速度梯度来实现。速度梯度的存在导致流体内部的动量交换，进而影响热量的扩散和传递效率。在近壁边界层中，由于流体的粘性作用，速度从壁面处的零值逐渐增大到主流速度，形成了一定的速度梯度。根据牛顿内摩擦定律，速度梯度会产生粘性切应力，其表达式为τ=μ(dv/dy)，其中τ为粘性切应力，μ为动力粘度，dv/dy为速度梯度。粘性切应力的存在使得流体内部发生动量交换，导致流体的混合和湍流的产生。在湍流状态下，流体的传热主要依靠湍流扩散，而不是分子热传导。湍流扩散比分子热传导更有效，能够显著提高传热效率。然而，当速度梯度分布不均匀时，会导致湍流结构的不稳定，影响热量的传递。在某些情况下，边界层内可能会出现速度分层现象，即不同位置的流体速度存在较大差异。这种速度分层会导致热量在不同速度层之间的传递受到阻碍，降低传热效率。在超临界二氧化碳的传热实验中，当质量流速较低时，边界层内可能会出现明显的速度分层，靠近壁面的流体速度较低，而远离壁面的流体速度较高。这种速度分层使得热量难以从壁面传递到主流流体中，导致壁面温度升高，传热恶化现象加剧。速度梯度还会影响边界层内的温度分布。由于热量传递与速度分布密切相关，速度梯度的变化会导致温度梯度的改变。当速度梯度较大时，热量传递的速率也会相应增大，从而使边界层内的温度分布更加均匀。然而，当速度梯度分布不均匀时，会导致温度分布出现异常，某些区域的温度过高或过低，影响传热的稳定性。在超临界水的传热过程中，当边界层内的速度梯度不均匀时，会出现局部温度过高的现象，这可能会引发传热恶化。为了深入研究边界层内速度分布与传热的关联，许多学者采用了数值模拟和实验研究相结合的方法。通过数值模拟，可以精确地计算边界层内的速度分布和温度分布，分析速度梯度对传热的影响机制。实验研究则可以验证数值模拟的结果，提供实际的数据支持。一些研究利用PIV技术测量边界层内的速度场，同时利用热电偶测量温度场，从而获得速度分布与传热之间的直接关系。研究结果表明，边界层内的速度分布对传热有着显著的影响，优化速度分布可以有效提高传热效率，防止传热恶化的发生。边界层内速度分布不均匀通过速度梯度影响热量的扩散和传递效率，进而对超临界流体的传热恶化产生重要影响。深入研究速度分布与传热的关联，对于理解超临界流体传热恶化的机理，提高传热系统的性能具有重要意义。4.2近壁边界层与传热恶化的间接影响4.2.1边界层内湍流特性与传热恶化边界层内的湍流特性对超临界流体传热恶化有着重要的间接影响，其中湍流强度和湍动能是两个关键的特性参数。湍流强度是指湍流脉动速度的均方根与平均流速的比值，它反映了湍流的剧烈程度。在超临界流体的近壁边界层中，湍流强度的变化会显著影响热量传递。当湍流强度增强时，流体内部的混合加剧，流体质点的运动更加无序，这使得热量能够更有效地在流体中扩散和传递。在超临界二氧化碳的传热过程中，通过实验测量发现，当湍流强度增大时，传热系数明显提高，这表明湍流强度的增强有助于强化传热，抑制传热恶化的发生。这是因为较强的湍流能够破坏边界层内的温度分层，使热量更均匀地分布在流体中，从而减小了热阻，提高了传热效率。湍动能则是单位质量流体所具有的湍流能量，它与湍流强度密切相关。湍动能的大小反映了湍流运动的能量水平，对传热过程有着重要影响。当湍动能增加时，流体的湍流运动更加剧烈，能够更有效地将热量从高温区域传递到低温区域。在超临界水的流动实验中，利用激光多普勒测速（LDV）技术测量了边界层内的湍动能分布，结果表明，在湍动能较大的区域，传热系数明显增大，壁面温度降低，传热恶化现象得到缓解。这是因为湍动能的增加使得流体的湍流扩散能力增强，能够更快地将壁面的热量带走，从而提高了传热性能。然而，当湍流特性出现异常时，也可能会对传热恶化产生促进作用。在某些情况下，边界层内可能会出现湍流结构的不稳定，导致湍流强度和湍动能的分布不均匀。这种不均匀性会使得热量传递出现局部受阻的情况，从而引发传热恶化。当边界层内存在大尺度的漩涡结构时，漩涡内部的流体运动相对缓慢，热量传递不畅，容易导致局部温度升高，进而引发传热恶化。边界层内的湍流特性还与其他因素相互作用，共同影响传热恶化。流体的物性参数在拟临界温度附近的剧烈变化，会改变流体的粘性和导热性能，从而影响湍流的发展和热量传递。当流体的粘度在拟临界温度附近发生变化时，会影响湍流的生成和发展，进而影响传热特性。管道的几何形状和壁面粗糙度也会对边界层内的湍流特性产生影响，从而间接影响传热恶化。在弯曲管道中，流体的流动会受到离心力的作用，导致边界层内的湍流结构发生变化，进而影响传热性能。边界层内的湍流强度和湍动能等特性通过影响热量传递，对超临界流体传热恶化产生间接影响。合理控制边界层内的湍流特性，优化湍流结构，对于提高超临界流体的传热效率，防止传热恶化具有重要意义。4.2.2边界层内温度分布与传热恶化边界层内温度分布的不均匀性以及温度梯度对超临界流体传热恶化有着重要的间接影响。在近壁边界层中，由于热量传递的不均匀性，温度分布往往呈现出明显的不均匀特征。靠近壁面的区域，温度较高，而远离壁面的区域，温度较低，形成了一定的温度梯度。这种温度分布的不均匀性会导致热阻的变化，从而影响传热效果。当温度分布不均匀时，热量传递会受到阻碍，热阻增大，容易引发传热恶化。在超临界水的传热实验中，通过红外热成像技术测量了边界层内的温度分布，发现当温度分布不均匀时，壁面温度明显升高，传热系数下降，传热恶化现象加剧。这是因为温度分布不均匀会导致局部热流密度增大，使得热量难以从壁面传递到流体中，从而导致壁面温度升高，传热效率降低。温度梯度是指单位距离内温度的变化率，它在传热过程中起着关键作用。在边界层内，温度梯度的大小直接影响着热量传递的速率。根据傅里叶导热定律，热流密度与温度梯度成正比，即q=-λ(dT/dx)，其中q为热流密度，λ为导热系数，dT/dx为温度梯度。当温度梯度较大时，热流密度增大，热量传递速率加快，有利于提高传热效率，抑制传热恶化的发生。在超临界二氧化碳的传热过程中，当边界层内的温度梯度增大时，传热系数明显提高，壁面温度降低，传热恶化现象得到缓解。然而，当温度梯度分布不均匀时，也可能会对传热恶化产生促进作用。在边界层内，由于流体的流动和物性变化，温度梯度可能会出现局部异常增大或减小的情况。当局部温度梯度异常增大时，会导致局部热流密度过高，使得壁面温度迅速升高，从而引发传热恶化。在超临界流体的管道流动中，由于管道的弯曲或局部阻力的存在，可能会导致边界层内的温度梯度分布不均匀，从而增加传热恶化的风险。边界层内的温度分层也会对传热产生影响。温度分层是指在边界层内，由于温度分布的不均匀，形成了不同温度区域的分层结构。这种温度分层会阻碍热量的传递，降低传热效率。在超临界水的传热过程中，当边界层内出现明显的温度分层时，热量在不同温度层之间的传递受到阻碍，导致壁面温度升高，传热恶化现象加剧。这是因为温度分层使得热量传递需要克服更大的热阻，从而降低了传热效率。边界层内温度分布的不均匀性、温度梯度以及温度分层等因素通过影响热阻和热量传递速率，对超临界流体传热恶化产生间接影响。优化边界层内的温度分布，合理控制温度梯度，对于提高超临界流体的传热性能，防止传热恶化具有重要意义。4.3基于近壁边界层的传热恶化物理模型4.3.1现有物理模型概述目前，基于近壁边界层的超临界流体传热恶化物理模型主要有以下几种：边界层积分方程模型是一种较为经典的模型。该模型基于边界层理论，通过对边界层内的动量、能量和质量守恒方程进行积分，得到边界层的相关参数，如边界层厚度、速度分布和温度分布等，进而分析传热恶化现象。这种模型的优点是计算相对简单，能够对边界层的基本特性进行初步分析。在一些简单的流动和传热问题中，该模型能够快速给出近似的结果，为工程设计提供一定的参考。它也存在局限性，由于在积分过程中进行了一些简化假设，该模型对边界层内复杂的湍流结构和非平衡态特性的描述不够准确，无法精确预测传热恶化的发生和发展过程。两流体模型将超临界流体在近壁边界层内的流动看作是两种不同性质流体的混合流动，一种是靠近壁面的粘性底层流体，另一种是外层的湍流流体。通过分别考虑这两种流体的特性和相互作用，建立起传热恶化的物理模型。该模型能够较好地描述边界层内不同区域的流动和传热特性，对于分析边界层内的速度分布、温度分布以及传热恶化的影响因素具有一定的优势。在研究超临界流体在管道内的流动传热时，该模型可以更准确地反映边界层内不同区域的流体行为，从而为传热恶化的分析提供更详细的信息。然而，该模型的参数确定较为复杂，需要通过大量的实验或数值模拟来获取，而且对于一些复杂的流动工况，模型的准确性还有待提高。基于微观机理的模型从分子层面出发，考虑超临界流体在近壁边界层内的分子运动、相互作用以及能量传递等微观过程，建立传热恶化的物理模型。这类模型能够深入揭示传热恶化的微观本质，对于理解超临界流体传热恶化的内在机制具有重要意义。通过分子动力学模拟等方法，可以详细研究边界层内分子的运动轨迹、碰撞频率以及能量交换情况，从而为传热恶化的研究提供微观层面的依据。但是，由于微观机理的复杂性，这类模型的计算量非常大，对计算资源的要求极高，目前在实际工程应用中还存在一定的困难。各模型的适用范围也有所不同。边界层积分方程模型适用于对边界层特性进行初步分析和简单工程设计的场景，在一些对精度要求不高的情况下能够发挥作用。两流体模型适用于对边界层内不同区域的流动和传热特性有较深入研究需求的场景，例如在研究超临界流体在复杂管道结构中的流动传热时，该模型能够提供更详细的信息。基于微观机理的模型则适用于对传热恶化微观本质进行深入研究的场景，虽然目前应用受限，但对于推动超临界流体传热恶化理论的发展具有重要价值。现有基于近壁边界层的超临界流体传热恶化物理模型在各自的适用范围内都有一定的应用价值，但也都存在不同程度的局限性。在实际应用中，需要根据具体的研究目的和工况条件，选择合适的模型，并对模型进行不断的改进和完善，以提高对传热恶化现象的预测和分析能力。4.3.2模型改进与完善思路根据前文的研究结果，对现有基于近壁边界层的超临界流体传热恶化物理模型提出以下改进方向和完善思路：考虑更多影响因素是模型改进的重要方向之一。在现有的模型中，往往只考虑了部分主要因素对传热恶化的影响，而忽略了一些次要但在某些工况下可能起关键作用的因素。未来的模型应进一步考虑边界层内的非牛顿流体特性、流体的压缩性以及壁面的热辐射等因素。在超临界流体的实际应用中，由于压力和温度的变化，流体的压缩性可能对传热恶化产生重要影响，而壁面的热辐射在高温工况下也不容忽视。考虑这些因素能够更全面地反映超临界流体在近壁边界层内的传热过程，提高模型的准确性。优化模型假设也是完善模型的关键。目前的模型在建立过程中通常会进行一些简化假设，这些假设在一定程度上简化了计算，但也可能导致模型与实际情况存在偏差。在未来的研究中，可以通过更深入的理论分析和实验验证，对模型假设进行优化。在边界层积分方程模型中，可以采用更精确的速度分布和温度分布假设，以提高模型对边界层内流动和传热特性的描述精度。通过实验测量边界层内的实际速度和温度分布，对模型假设进行修正，使模型能够更准确地反映实际情况。结合多物理场耦合理论也是改进模型的有效途径。超临界流体的传热恶化过程往往涉及多个物理场的相互作用，如温度场、速度场、压力场以及电磁场等。在一些超临界流体的应用场景中，可能会存在电磁场的作用，这会对流体的流动和传热产生影响。因此，将多物理场耦合理论引入到传热恶化模型中，能够更全面地考虑各种物理场的相互作用，提高模型的适用性。通过建立温度场、速度场和电磁场的耦合方程，分析电磁场对超临界流体传热恶化的影响机制，从而完善传热恶化模型。随着计算技术的不断发展，采用更先进的数值计算方法也是模型改进的重要手段。现有的模型在数值计算过程中可能存在精度不足、计算效率低等问题。未来可以采用更高效的数值算法，如高阶有限元方法、谱方法等，提高模型的计算精度和效率。这些先进的数值计算方法能够更准确地求解复杂的物理方程，减少数值误差，同时提高计算速度，使模型能够处理更复杂的工况和更大规模的问题。为了提高模型的准确性和适用性，还需要加强模型与实验数据的对比验证。通过大量的实验测量，获取超临界流体在不同工况下的传热特性数据，将这些数据与模型计算结果进行对比分析，及时发现模型中存在的问题，并对模型进行修正和完善。在实验过程中，要尽可能控制实验条件的准确性和重复性，确保实验数据的可靠性，为模型的验证和改进提供有力的支持。对现有基于近壁边界层的超临界流体传热恶化物理模型进行改进和完善，需要综合考虑多方面的因素，通过不断地探索和研究，建立更加准确、全面的传热恶化模型，为超临界流体的工程应用提供更可靠的理论支持。五、研究案例分析5.1实验研究案例5.1.1实验装置与方法为了深入研究近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机理，搭建了一套超临界二氧化碳传热实验平台。该实验平台主要由主循环回路、冷凝系统和电加热系统组成。主循环回路包括储液罐、第一过滤器、柱塞泵、囊式蓄能器、第一背压阀、质量流量计、调节阀、预热段、实验段、套管式冷凝器、第二过滤器、第二背压阀以及多个截止阀。储液罐用于储存超临界二氧化碳，第一过滤器可过滤掉流体中的杂质，保证实验的准确性。柱塞泵负责将储液罐中的超临界二氧化碳输送到主循环回路中，囊式蓄能器则起到稳定压力的作用。质量流量计用于精确测量流体的质量流量，调节阀可调节流体的流量和压力。预热段和实验段采用直流电源加热，能够精确控制加热功率，以模拟不同的热流密度工况。实验段为圆管实验段，直接由实验段直流电源通电加热，功率控制灵敏度高，壁面上每隔一定距离等距布置有T型贴片式热电偶，用于测量壁温，实验段进出口中心位置插入T型铠装热电偶，用于测量流体温度，实时监测实验段壁面及流体温度状态。实验段能够通过快拆式绝缘法兰快速更换，实现不同尺寸实验段的流动热特性研究。套管式冷凝器用于将实验后的超临界二氧化碳冷却并回收至储液罐。冷凝系统由套管式冷凝器、制冷机和冷却液调节阀组成。制冷机提供冷源，通过调节制冷机的制冷温度和旁路上的冷却液调节阀，可控制二氧化碳冷凝后回到储液罐的温度。电加热系统包括预热段直流电源和实验段直流电源，分别为预热段和实验段提供三点式和两点式直流加热，能够精确控制加热功率，从而实现对实验工况的精确控制。实验工况设置涵盖了不同的压力、温度、质量流速和热流密度。压力范围设定为8-12MPa，温度范围为32-40℃，质量流速范围为200-600kg/(m²・s)，热流密度范围为100-300kW/m²。在每个工况下，稳定运行一段时间后，开始采集数据。数据采集流程如下：首先，通过质量流量计测量超临界二氧化碳的质量流量，通过压力传感器测量系统的压力，通过T型贴片式热电偶和T型铠装热电偶分别测量实验段壁面温度和流体温度。这些数据通过数据采集系统实时采集，并传输到计算机中进行存储和分析。在实验过程中，每隔一定时间记录一次数据，以确保数据的准确性和可靠性。同时，对实验装置进行严格的校准和调试，确保测量仪器的精度和稳定性。在实验前，对热电偶进行校准，以保证温度测量的准确性；对质量流量计进行标定，确保质量流量测量的精度。5.1.2实验结果与分析实验得到了不同工况下超临界二氧化碳的壁面温度和传热系数数据。在低质量流速和高热流密度工况下，壁面温度迅速升高，传热系数急剧下降，表明出现了传热恶化现象。当质量流速为200kg/(m²・s)，热流密度为300kW/m²时，壁面温度在短时间内升高了50℃以上，传热系数从初始的约800W/(m²・K)降至不足200W/(m²・K)。通过对实验数据的分析，进一步验证了近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机理。在传热恶化发生时，近壁边界层厚度明显增加，边界层内的速度分布和温度分布发生显著变化。当壁面温度升高时，边界层内的流体物性发生变化，密度减小，粘度增大，导致边界层厚度增加，热阻增大，传热系数下降。在实验中，通过测量不同位置的温度和速度，发现靠近壁面的区域速度梯度减小，温度梯度增大，这表明边界层内的流动和传热特性发生了改变，从而影响了整个传热过程。实验结果还表明，压力和温度对传热恶化也有重要影响。在较高压力下，传热恶化现象得到一定程度的缓解，这是因为压力的增加使得超临界流体的密度增大，传热能力增强。而在接近拟临界温度时，传热恶化现象更为明显，这是由于拟临界温度附近流体物性的剧烈变化导致的。在压力为12MPa时，传热恶化现象相对较轻，壁面温度升高幅度较小；而当温度接近拟临界温度31.1℃时，即使在较低热流密度下，也容易出现传热恶化现象。实验结果充分验证了近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机理，为深入理解超临界流体传热恶化现象提供了有力的实验依据，也为相关理论模型的建立和数值模拟的验证提供了重要的数据支持。5.2数值模拟案例5.2.1数值模拟方法与模型建立本研究采用计算流体力学（CFD）方法对超临界二氧化碳在管道内的流动和传热过程进行数值模拟。CFD方法是一种基于计算机技术的数值模拟方法，它通过求解流体力学和传热学的控制方程，如连续性方程、动量方程、能量方程等，来模拟流体的流动和传热现象。在CFD模拟中，将物理问题转化为数学模型，通过离散化处理将连续的物理场转化为离散的数值网格，然后利用数值算法求解控制方程，得到流场和温度场的数值解。利用专业的CFD软件ANSYSFluent进行模拟计算。在模型建立过程中，首先创建一个二维的圆形管道模型，管道内径为10mm，长度为1m。这一尺寸的选择是基于实际工程应用中常见的管道尺寸，同时也考虑到计算资源和计算效率的因素。通过合理选择管道尺寸，既能保证模拟结果的准确性，又能在可接受的计算时间内完成模拟任务。对管道进行网格划分时，采用结构化网格，以确保网格的质量和计算精度。在近壁区域进行网格加密，以更好地捕捉边界层内的流动和传热特性。边界层内的流动和传热变化剧烈，通过加密网格可以更准确地描述这些变化，提高模拟结果的可靠性。在近壁区域，将网格尺寸设置为0.01mm，而在远离壁面的区域，网格尺寸逐渐增大至0.1mm。通过这种网格划分方式，既能保证对边界层的准确模拟，又能控制网格数量，减少计算量。边界条件设置如下：入口处设置为速度入口，根据实验工况设置不同的质量流速，分别为200kg/(m²・s)、400kg/(m²・s)和600kg/(m²・s)。通过设置不同的质量流速，可以研究质量流速对超临界流体传热恶化的影响。入口处还设置了均匀的温度，分别为32℃、35℃和38℃，以模拟不同的入口温度工况。出口处设置为压力出口，压力为8MPa，这一压力值是根据实际工程应用中的常见压力范围确定的。壁面设置为恒热流边界条件，热流密度分别为100kW/m²、200kW/m²和300kW/m²，通过设置不同的热流密度，可以研究热流密度对传热恶化的影响。壁面还设置为无滑移边界条件，即流体在壁面处的速度为零，这符合实际的物理情况。在数值模拟过程中，选用SSTk-ω湍流模型。该模型综合了k-ε模型和k-ω模型的优点，能够较好地模拟近壁区域的湍流流动，特别是在处理边界层内的湍流特性时具有较高的精度。在超临界流体的流动中，边界层内的湍流特性对传热恶化有着重要影响，因此选择SSTk-ω湍流模型能够更准确地模拟这一过程。对于超临界二氧化碳的物性参数，如密度、粘度、比热容和导热系数等，采用真实气体状态方程进行计算，并根据温度和压力的变化进行实时更新。在模拟过程中，利用软件提供的物性数据库，结合真实气体状态方程，实时计算超临界二氧化碳的物性参数，以保证模拟结果的准确性。5.2.2模拟结果与讨论通过数值模拟，得到了不同工况下超临界二氧化碳在管道内的速度场和温度场分布。在速度场方面，随着质量流速的增加，管道内的平均流速明显增大。在质量流速为200kg/(m²・s)时，管道中心处的流速约为1m/s；当质量流速增加到600kg/(m²・s)时，管道中心处的流速增大到约3m/s。在近壁区域，由于壁面的无滑移条件，速度迅速降低为零，形成了明显的速度梯度。在低质量流速下，速度梯度较大，边界层较厚；随着质量流速的增加，速度梯度减小，边界层变薄。这是因为质量流速的增加使得流体的惯性力增大，能够更好地克服粘性力的作用，从而使边界层变薄。在温度场方面，随着热流密度的增加，壁面温度显著升高。在热流密度为100kW/m²时，壁面最高温度约为35℃；当热流密度增加到300kW/m²时，壁面最高温度升高到约45℃。在管道中心区域，温度相对较低，且分布较为均匀。在近壁区域，由于热量传递的阻力，温度梯度较大，形成了明显的温度边界层。在低热流密度下，温度边界层较薄；随着热流密度的增加，温度边界层变厚。这是因为热流密度的增加使得壁面传递给流体的热量增多，需要更大的温度梯度来传递这些热量，从而导致温度边界层变厚。将模拟结果与实验结果进行对比，发现两者在趋势上基本一致，但在数值上存在一定的差异。在相同的质量流速和热流密度下，模拟得到的壁面温度和传热系数与实验值的相对误差在10%-15%之间。这可能是由于数值模拟中采用的湍流模型和物性参数计算方法存在一定的局限性，以及实验测量过程中存在一定的误差。尽管存在这些差异，模拟结果仍然能够较好地反映超临界二氧化碳在管道内的流动和传热特性，为进一步研究近壁边界层对传热恶化的影响提供了有力的支持。通过对模拟结果的深入分析，进一步验证了近壁边界层对超临界流体传热恶化的影响机理。在传热恶化发生时，近壁边界层厚度明显增加，边界层内的速度分布和温度分布发生显著变化。当壁面温度升高时，边界层内的流体物性发生变化，密度减小，粘度增大，导致边界层厚度增加，热阻增大，传热系数下降。在模拟中，通过监测边界层内的物性参数和传热系数的变化，发现当壁面温度升高到一定程度时，边界层内的密度迅速减小，粘度增大，传热系数急剧下降，这与理论分析和实验结果相符合。数值模拟结果还表明，压力和温度对传热恶化也有重要影响。在较高压力下，传热恶化现象得到一定程度的缓解，这是因为压力的增加使得超临界流体的密度增大，传热能力增