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二氧化碳超临界相变过程中Rayleigh–Bénard对流的实验研究

赵一凡 吴笛 王佳 李家亮 段隆盛 段俐 康琦

赵一凡, 吴笛, 王佳, 等. 二氧化碳超临界相变过程中Rayleigh–Bénard对流的实验研究[J]. 实验流体力学, 2023, 37(5): 101-110 doi: 10.11729/syltlx20230003
引用本文: 赵一凡, 吴笛, 王佳, 等. 二氧化碳超临界相变过程中Rayleigh–Bénard对流的实验研究[J]. 实验流体力学, 2023, 37(5): 101-110 doi: 10.11729/syltlx20230003
ZHAO Y F, WU D, WANG J, et al. Experimental study on Rayleigh–Bénard convection during supercritical phase transition of carbon dioxide[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(5): 101-110 doi: 10.11729/syltlx20230003
Citation: ZHAO Y F, WU D, WANG J, et al. Experimental study on Rayleigh–Bénard convection during supercritical phase transition of carbon dioxide[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(5): 101-110 doi: 10.11729/syltlx20230003

二氧化碳超临界相变过程中Rayleigh–Bénard对流的实验研究

doi: 10.11729/syltlx20230003
基金项目: 国家自然科学基金项目(12032020,12072354,12102438);中国博士后科学基金项目(2019M660812);山东省自然科学基金项目(ZR2018BA022)
详细信息
    作者简介:

    赵一凡:(1999—),男,山东泰安人,硕士研究生。研究方向:超临界流体、实验流体力学。通信地址:山东省青岛市黄岛区新安街道前湾港路579号山东科技大学青岛校区能源与矿业工程学院(266590)E-mail:zyf999913@163.com

    通讯作者:

    E-mail:lijialiang@sdust.edu.cn

    duanli@imech.ac.cn

  • 中图分类号: O359

Experimental study on Rayleigh–Bénard convection during supercritical phase transition of carbon dioxide

  • 摘要: 超临界流体是一种极端条件下(温度与压力均处于临界点以上)的非常态流体。浮力驱动的超临界流体Rayleigh–Bénard(RB)对流则是一种新的非线性热对流体系,其浮力作用不符合Boussinesq近似,且在温差的作用下物性在临界点附近出现剧烈畸变并伴随着丰富的流动与相变耦合过程。本实验设计了可承载超临界二氧化碳(SCO2)的透明蓝宝石压力容器,建立竖直温度梯度作用下的超临界流体RB对流,观测不同温差作用下的流动结构和超临界相变过程并通过图像互相关算法计算“雾化”液滴的速度场。实验采用铂电阻测温,并精确控制容器上下端的温差,研究SCO2在线性降温过程中多种流态与速度场的演化。在线性降温过程中,SCO2经历超临界流动、跨临界流动和气液两相流动3个典型过程。跨临界流动是相变与浮力热对流的强耦合过程,导致超临界二氧化碳RB对流具有多态的非稳态流动。实验结果表明:超临界RB对流对温差极为敏感,温差越大则超临界域内的对流越剧烈;随着温度的降低,雾化的液滴不断凝聚,形成丰富的多层流动结构,并最终向气液两相流动演化。
  • 图  1  超临界二氧化碳方腔模型及实物图

    Figure  1.  Supercritical CO2 container model and physical diagram

    图  2  实验系统图

    Figure  2.  Experimental system diagram

    图  3  SCO2在方腔内的流动(Td = 31.6 ℃, Tu = 31.20 ℃)

    Figure  3.  Flow of SCO2 in the square cavity (Td = 31.6 ℃, Tu = 31.20 ℃)

    图  4  不同壁面温度和不同温差下方腔内的SCO2流动

    Figure  4.  SCO2 flow in the square cavity under different wall temperatures and temperature differences

    图  5  跨临界下的方腔内CO2流动过程

    Figure  5.  CO2 flow process in square cavity under transcritical conditions

    图  6  气液相阶段方腔内CO2流动过程(Td = 29.7 ℃, Tu = 29.34 ℃)

    Figure  6.  CO2 flow process in square cavity in gas-liquid phase (Td = 29.7 ℃, Tu = 29.34 ℃)

    图  7  气液分层

    Figure  7.  Gas-liquid stratification

    图  8  气液相完全分离(Td = 29.1 ℃, Tu = 28.80 ℃)

    Figure  8.  Complete separation of gas-liquid phases (Td = 29.1 ℃, Tu = 28.80 ℃)

    图  9  气液相清澈

    Figure  9.  The gas-liquid phase is clear

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-05
  • 修回日期:  2023-02-21
  • 录用日期:  2023-03-06
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2023-10-30

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    2021年8月13日