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　　工學院張信榮課題組在超/近臨界流體微尺度流動傳熱方面取得系列進展

　　2014年伊始，工學院張信榮">張信榮課題組在超/近臨界流體微尺度傳熱傳質(zhì)方面取得了一系列重要研究進展，分別在統(tǒng)計力學和流體物理領(lǐng)域著名期刊Physical Review E、Physica A，傳熱與能源領(lǐng)域著名期刊International of Heat and Mass Transfer, Applied Thermal Engineering, Journal of Nanoscience and Nanotechnology等雜志上發(fā)表了系列論文。

　　近年來，微尺度化工萃取與合成、能源轉(zhuǎn)化、醫(yī)藥生產(chǎn)、機械工藝過程等等領(lǐng)域的迅速發(fā)展都對相應的尺度下能量、質(zhì)量的輸運提出了更高的要求。特別是在微尺度流動和換熱系統(tǒng)當中，流體基本特性變化的時間和空間尺度都與宏觀現(xiàn)象有較大區(qū)別。超臨界流體是一種特殊的功能性流體，在接近臨界點過程中其壓縮系數(shù)會趨于發(fā)散，同時熱擴散性會趨近于零值。這兩個因子分別代表了流體可壓縮性和熱松弛特性,它們已被證明是超/近臨界流體微小尺度流動換熱的主要控制因子。事實上，超/近臨界流體這些物性因子數(shù)的變化又對如溫度壓力等操作參數(shù)高度依賴，在臨界區(qū)間產(chǎn)生了復雜的瞬態(tài)演化現(xiàn)象。

　　早在20世紀80年代中后期，歐洲航天部門在太空實驗中發(fā)現(xiàn)超臨界CO2流體異乎尋常的快速熱松弛行為，而后在1990年由三個獨立的研究小組從理論上加以分析確認，并稱為活塞效應(Piston Effect)。張信榮">張信榮課題組首先通過對微通道內(nèi)的超/近臨界流體熱邊界層發(fā)展演化過程的動力學分析，在微尺度系統(tǒng)當中細致考慮了相應空間限制效應、微流體擾動特點、界面張力變化、尺度與連續(xù)性假設(shè)的適用性等等方面的變化對于超/近臨界流體熱松弛過程的影響，引入活塞效應(Piston Effect)到微尺度通道傳熱過程，并發(fā)現(xiàn)了微尺度超/近臨界流體的瞬態(tài)渦流動現(xiàn)象，初步的理論分析結(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. E 87, 043016 (2013)。

　　進一步，課題組從超/近臨界流體邊界層對流穩(wěn)定性的角度，首次分析了開放通路系統(tǒng)中的超/近臨界流體受到局部熱擾動時，由于其極低的熱擴散系數(shù)和較高的膨脹特性，從而迅速在熱源附近建立薄熱邊界層以及發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象的熱動力過程，從基本的微尺度熱對流穩(wěn)定性角度解釋了上述的特殊渦流動現(xiàn)象。這一過程最終歸結(jié)為經(jīng)典的K-H不穩(wěn)定性和R-T不穩(wěn)定性在微尺度特殊流體方面的拓展。其要點在于超/近臨界流體薄熱邊界層熱聲擾動過程(即對應Piston Effect)與重力的耦合作用，并且在不同時間尺度上又有不同的具體演化，相應的結(jié)果發(fā)表在Physica A 398 (2014) 10-24。

　　在以上工作的基礎(chǔ)上，課題組又針對該種微尺度渦流動混合機理和多工況表現(xiàn)進行了系列的分析研究，給出了超/近臨界流體微尺度熱擾動混合過程特性參數(shù)，并指出了該種機理在超臨界流體萃取、微尺度化工混合攪拌以及微流體熱力學方面潛在的應用，相關(guān)的結(jié)果發(fā)表在Chem. Eng. Sci. 97 (2013) 67-80和J. Nanosci. Nanotech. 14 (2014) 1-8。以這些研究為基礎(chǔ)，課題組還申請了國家發(fā)明專利(“一種基于超臨界流體的微通道混合方法”，申請?zhí)?012105573068;公開號CN103007792 A)。同時，課題組還進一步深入到了微尺度超/近鄰界流體傳熱這一領(lǐng)域，在復雜變物性流體傳熱過程和傳熱優(yōu)化、考慮了活塞效應(Piston Effect)的傳熱過程與傳統(tǒng)傳熱過程的異同、超/近臨界流體微尺度換熱自加速和自膨脹等現(xiàn)象等方面獲得了一系列新的發(fā)現(xiàn)，這一方面初步的結(jié)果和總結(jié)發(fā)表在Appl. Therm. Eng. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2013.11.036以及《應用數(shù)學與力學》雜志(邀請論文， 2014年3月第3期，pp. 233-246)。

　　從傳統(tǒng)的流體對流換熱的角度看來，在微尺度通道內(nèi)由于超/近臨界流體物性變化，產(chǎn)生了一系列不同于傳統(tǒng)流體的對流結(jié)構(gòu)和松弛過程，也產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)性課題。課題組近期的研究集中在進一步深化超/近臨界流體微尺度流動動力學和傳熱機理方面，系列成果預期將促進超臨界流體物理和熱力過程產(chǎn)生新的理解，同時對微尺度流體理論和創(chuàng)新設(shè)計也期待有所促進。

　　張信榮">張信榮課題組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陳林。課題組系列研究工作得到國家自然科學基金、城市固體廢棄物資源化技術(shù)與管理北京市重點實驗室的資助。

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