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　　工學(xué)院張信榮課題組在超/近臨界流體熱質(zhì)傳遞基礎(chǔ)理論方面取得系列進(jìn)展

　　近期，北京大學(xué)工學(xué)院張信榮課題組在超/近臨界流體熱質(zhì)傳遞基礎(chǔ)理論方面取得了系列研究進(jìn)展，在流體力學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Journal of Fluid Mechanics, Physical Review E雜志上發(fā)表了系列論文。

　　對(duì)于純物質(zhì)，臨界點(diǎn)是其相圖中的一個(gè)特殊點(diǎn)，當(dāng)流體的溫度和壓力同時(shí)高于其臨界溫度和臨界壓力時(shí)，此時(shí)的流體稱為超臨界流體。特別地，在臨界點(diǎn)附近物性會(huì)呈現(xiàn)諸如熱擴(kuò)散系數(shù)趨于零、熱膨脹系數(shù)趨于無窮等特殊變化，流體密度對(duì)溫度、壓力的微小變化異常敏感。這種特殊的物性變化對(duì)不同種類的流體具有普適性，可以用普適標(biāo)度律來描述，相關(guān)研究曾獲得1982年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從應(yīng)用上來說，臨界點(diǎn)附近物性狀態(tài)的敏感性與特殊性催生了超臨界流體在化工萃取與分離、材料制備、食品及醫(yī)藥生產(chǎn)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

　　自上世紀(jì)80年代起，研究人員普遍關(guān)注特殊物性下的熱量傳遞及相關(guān)效應(yīng)，核心問題包括“活塞效應(yīng)”(近臨界流體中存在的一種快速熱平衡現(xiàn)象)的機(jī)理以及Rayleigh-Bénard自然對(duì)流的啟動(dòng)判據(jù)。而在超臨界流體的實(shí)際應(yīng)用中，質(zhì)量傳遞是非常普遍的過程，而臨界點(diǎn)附近的質(zhì)量傳遞及相關(guān)效應(yīng)尚未得到充分的認(rèn)識(shí)。張信榮課題組選用二氧化碳+乙烷為參考體系，以近臨界二元混合流體質(zhì)量傳遞及相關(guān)效應(yīng)為主題展開了系列研究。

　　課題組拓展了活塞效應(yīng)的概念，揭示了封閉體系中邊界質(zhì)量傳遞引起的活塞效應(yīng)(簡(jiǎn)稱為質(zhì)活塞效應(yīng))。從機(jī)理上，質(zhì)活塞效應(yīng)源于臨界點(diǎn)附近偏摩爾體積的異常變化?？紤]偏摩爾體積大于零的情形，當(dāng)邊界濃度升高后(例如溶解或脫附過程)，濃度邊界層建立并迅速膨脹并擠壓其余流體，使得其溫度迅速均勻升高。此時(shí)由物質(zhì)傳遞所帶入體系的能量便以這種“膨脹—擠壓”機(jī)制迅速從邊界傳至其他區(qū)域，效率大大提升。進(jìn)一步地，由于Dufour效應(yīng)的存在，傳質(zhì)會(huì)耦合地引發(fā)傳熱，引起伴生的熱活塞效應(yīng)。課題組通過理論分析得到了質(zhì)活塞效應(yīng)的能量效率表達(dá)式，揭示了兩種活塞效應(yīng)的疊加性。

　　隨后，課題組針對(duì)Rayleigh-Bénard框架下濃度梯度驅(qū)動(dòng)的自然對(duì)流判據(jù)展開了理論研究。由于絕熱溫度梯度的存在，流動(dòng)同時(shí)由濃度和溫度控制，屬于雙擴(kuò)散對(duì)流問題。課題組基于線性理論，通過數(shù)值計(jì)算得到了中性穩(wěn)定性條件，并與Boussinesq近似下的解析判據(jù)進(jìn)行對(duì)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層。進(jìn)一步地，考慮方腔底部瞬態(tài)濃度升高問題，將判據(jù)應(yīng)用于解釋濃度邊界層的行為上，揭示了對(duì)流發(fā)生、羽流升起、重歸穩(wěn)定三種邊界層的典型行為。相關(guān)成果發(fā)表在《Journal of Fluid Mechanics》

　　在以上工作的啟發(fā)下，課題組針對(duì)近臨界二元混合流體雙擴(kuò)散對(duì)流穩(wěn)定性開展了系統(tǒng)的研究，分別討論了指形對(duì)流區(qū)及震蕩對(duì)流區(qū)中非Boussinesq效應(yīng)對(duì)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，在所有的非Boussinesq效應(yīng)中，對(duì)穩(wěn)定性影響最大的是變化的物性以及初始濃度分層。在它們的影響下，垂直方向的對(duì)稱性被打破，中性穩(wěn)定性曲線上的最不穩(wěn)定模態(tài)由原本的單渦演變?yōu)榉謱訙u(指形對(duì)流區(qū))以及貓眼渦(震蕩對(duì)流區(qū))。從對(duì)流啟動(dòng)的機(jī)理出發(fā)，課題組提出了一個(gè)綜合參數(shù)用于衡量非Boussinesq效應(yīng)強(qiáng)度的物理量，用于指示流場(chǎng)中最不穩(wěn)定的部分。這部分研究成果發(fā)表在《Physical Review E》。

　　張信榮課題組(http://www.coe.pku.edu.cn/jzyg/qbjylb/884733.htm)主要致力于新型低品質(zhì)熱能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與技術(shù)、新型功能型流體材料的開發(fā)、微納米相變傳熱、傳熱優(yōu)化方法以及新型熱力學(xué)循環(huán)構(gòu)建等領(lǐng)域的研究工作。

　　該系列論文的第一作者為課題組博士生胡戰(zhàn)超，部分研究工作與美國西北大學(xué)Stephen H. Davis教授合作完成。課題組系列研究工作得到國家自然科學(xué)基金(資助號(hào)：51776002)以及國家留學(xué)基金委(資助號(hào)：201706010268)資助。

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