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1、申请上海交通大学博士学位论文多时间尺度上超临界流体活塞效应作用下热质输运机理研究学校：院系：班级：学号：博士生：领域：导师：上海交通大学机械与动力工程学院A 0 7 0 2 0 9 40 0 7 0 2 0 9 1 4 4沈飚制冷与低温工程张鹏教授上海交通大学机械与动力工程学院2 0 1 3 年4 月AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oS h a n g h a iJ i a oT o n gU n i v e r s i t yf o rt h eD e g r e eo fP h i l o s o p h yD o c t o rS T
2、 U D Yo FH E A TA N D 削L A S ST R A N S P O R TM E C H - AN I S M So FS U P E R C R I T I C A LF L U I D SU N D E RT H EI N F L U E N C Eo FT H EP I S T O NE F F E C TA C R O S SD I F F E R E N TT I M E S C A L E SA u t h o r ：B i a oS H E NS p e c i a l t y ：R e f r i g e r a t i o na n dC r y o g
3、e n i cE n g i n e e r i n gA d v i s o r ：P r o f P e n gZ H A N GS c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gS h a n g h a iJ i a oT o n gU n i v e r s i t yS h a n g h a i ，P R C h i n aA p r i l ，2 0 1 3上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人
4、或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：t 谚日期：劢，j 年F 月f z 日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅j 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于一， 不保密耐。( 请在以上方框内打“”)学位论
5、文作者签名：移L 穆指导教师签名形鹏日期：汐，每年哆月f 二日日期：年月, z E t撒衅雠撇粼议书l 邺所在姓名沈飚学号0 0 7 0 2 0 9 1 4 4制冷及低温工程学科指导教师张鹏答辩2 0 1 3 0 4 1 2答辩机械大楼A 5 0 1 日期地点论文题目多时间尺度上超l 临界流体活塞效应作用下热质输运机理研究t 投票表决结果：Q 譬，。( 同意票数实到委员数应到委员数)答辩结论t 、9 通过口未通过评语和决议： ， 超临界流体具有非常特殊的热物理性质，其在航空航天，低温超导磁体冷却，核电能源，空调制冷等l工业领域有着广泛的应用，沈飚同学的博士论文多时间尺度上超临界流体活塞效应作用
6、下热质输运机理 研究围绕超临界流体在不同时间尺度上的传热过程展开，重点研究活塞效应这一基于热声耦合现象的传 热机理的物理本质及特性，选题具有重要的理论意义和实际应用价值。 论文主要内容包括：建立了描述声学时间尺度上超临界流体热声传热过程的完整物理模型，在此基础 上对不同内外在条件下热声波动过程物理特性的变化情况展开全面细致的研究分析，比如临界点附近发生 剧烈发散的体积黏度可能造成次级活塞效应；外界热扰动的施加方式以及因临界程度不同而带来的热物理 性质上的差异等因素将对热声波动作用的生成和发展过程产生明显的短时间非线性影响；借助高效精确的数值模拟手段，对超I 临界流体扩散时间尺度上R 丑y l
7、e i g h B 6 n a r d 对流作用的形成和发展过程展开系统研究，： 得到了对流传热过程瞬态和稳态特性的物理尺度关系，以及对流模式沿着临界等容线上的演化情况，探究 了活塞效应与自然对流作用之间的相互关系及其对于流层温度分布方式的影响；采用激光全息干涉测量方 法，对超临界氮在底部加热条件下物理状态的变化过程进行了可视化研究，记录了流体中宏观对流作用在 强烈的活塞效应作用背景下的生成和发展过程，并且针对实验工况条件展开了数值模拟，对实验观测结果与计算结果之间的异同之处进行了定性和定量比较。 论文的创新之处主要有：提出的描述热声作用的宏观物理模型充分考虑了热物理性质在临界点附近出 现的异
8、常变化，准确描述临界点附近传热过程中活塞效应的物理表现；得到了距离临界点较大范围内R a y l e i g h - B d n a r d 足J 流的形成和发展规律，特别是对流模式在不同临界程度下的演化过程，全面揭示了长时 间尺度下活塞效应与自然对流作用之间复杂的相互关系；利用激光全息干涉法对超临界氮在底部加热情况 下其温度场的瞬态变化过程进行了实验测量，直观地呈现了在活塞效应影响下，流体冷热边界附近同时出现热羽流的特殊流动形态。 论文整体上思路清晰，结合了理论与实验研究，结果真实可信，答辩人在论文答辩过程中表述清晰， 回答问题正确，体现了作者已掌握了本学科基础理论与系统深入的专业知识，具备
9、了独立从事科研工作的 能力，达到了博士学位的要求。经答辩委员会讨论和无记名投票，一致通过沈飚同学的博士学位论文答辩，并建议授予工学博士学位。 2D f 年华月陟日I职务姓名职称单位签名主席王如竹教授上海交通大学蜘 答隽黝辩委员吴静恰教授上海交通大学委委员杨茉教授上海理工大学碾哟员会委员王远弟教授上海大学渤 成 易厦吠员委员范宏武正高级高级工程师上海市建筑科学研究院签委员名委员秘书柯霞工程师上海交通大学I 气摘要多时间尺度上超临界流体活塞效应作用下热质输运机理研究摘要超临界流体指的是当流体温度和压力同时超过各自临界值后呈现出的一种特殊状态。由于超临界流体兼具液相与气相的特点( 高密度，可压缩，易
10、于扩散溶解且表面张力为零) ，近年来它的工业应用范围逐步扩大，在诸如汽车空调，超导磁体冷却，液化天然气冷能再利用，化工萃取，火箭燃料，新一代超临界水冷核反应堆等领域都有着很好的应用前景。在临界点附近物质热物理性质会发生急剧变化，这使得温度弛豫过程中出现一种非同寻常的加速作用，被称为“活塞效应”。从根本上来说，由于可压缩性在临界点处表现出异常增大的趋势，因此当流体中出现局部热不均匀分布时，其所生成的热边界层结构将会发生剧烈膨胀，如同运动活塞一般挤压其余流体，从而对主流产生绝热压缩的效果，这一点与经典热传导，对流以及辐射传热不同。而从声学时间尺度上来看，活塞效应在本质上是一种强烈的热声耦合现象，在
11、热边界层发生剧烈膨胀的同时伴随有热声波动现象形成。随着热声波在流体内部进行高速( 当地声速) 传播，热边界层内的温度扰动便以这样一种极其高效的方式传遍至流体各处。本文研究的重点是考察声学时间尺度上热声波传热过程以及扩散时间尺度上活塞效应与自然对流作用对于温度场弛豫过程的综合影响。尽管短时间尺度上的热声作用与一般意义上非F o u r i e r 热传导中的热波传热现象有相似的地方温度扰动以波的形式进行传播，但是就物理机理本质和物理性质而言，两者有着根本性的差别，因此超临界流体中的热声波动作用并不能够通过以双弛豫时间( d u a l - p h a s e 1 a g ，D P L ) 模型为
12、代表的非F o u r i e r 导热理论来加以诠释。为了考察临界点附近的瞬态热声作用，在本次研究中建立了以完整流体力学描述为基础的物理模型，其中包含了能够反映真实流体物性变化情况的状态方程，而相应的分析方法则主要采用一种显式预测校正数值方法，围绕不同条件下热声波的生成和传播上海交通大学博士学位论文过程的物理特性展开全面细致的分析研究。主要结论包括：其一，当极度靠近临界点时，传热过程在强烈发散的体积黏度作用下进入黏性阶段，而模拟结果显示强烈的黏性作用对于热声波动过程同样有着明显的影响，边界层内激增的黏性力使得当地出现大量流体堆积，由此产生的局部机械失衡导致边界层间接膨胀，从而引发热声对流。其
13、二，发现通过调节边界加热的速率，可以得到性质不同的热声响应。具体来看，当边界出现瞬时加热情况时，由于温度突变激发所产生的热声波具有脉冲波的特征，其在等温边界处的反射会造成局部出现“冷点”的特殊分布；另一方面，在边界缓慢加热模式下，热声波表现为典型的连续压缩波。经过长时间演化后，两种热声过程随着流体密度场中不均匀性的不断增强，先后被缓慢扩散作用所取代。其三，离开临界点的距离在热声波形成过程中的作用在线性和非线性扰动下各不相同。当所施加的热扰动表现出较强的线性特征时，对应的热声波不随流体初始状态的变化而发生性质上的改变；而在非线性热扰动作用下，热声波的波阵面则会因流体临界程度的变化而出现严重变形。
14、随着时间的推移，这两种热声过程的能量转化效率逐渐趋于一致，这说明热声波中的非线性作用持续时间相对较为短暂，对于长时间下活塞效应的形成影响有限。其四，在二维腔体中，由点热源生成的热声波具有圆柱形的波阵面，其在传播过程中将发生几何扩张，出于能量守恒的需要，在热声波经过之后会在流体中形成一种补偿性的稀疏波效应，从而造成温度出现短暂下降。在长时间尺度上，热声波的累积作用反映为热边界层在膨胀过程中对于流体主流的持续压迫作用，即活塞效应。在它的影响下，流体温度场的分布十分特殊：主流中的温度呈均匀上升，而在冷热边界处则同时有热边界层结构生成。边界层内流体力学不稳定因素随时间逐渐增强，最终产生对流。借助数值模
15、拟的手段，对扁平长方形密闭空间中超临界氮的R a y l e i g h B 6 n a r d ( R B ) 对流问题展开研究，其中重点考察了对流模式沿着临界等容线的变化情况。考虑到热声波动过程与自然对流作用在物理时间尺度上存在较大的差别，采用一种基于低M a c h 数的近似方法来对原始物理上海交通大学博士学位论文一一。型婴! 鉴三一一S t u d yo fH e a ta n dM a s sT r a n s p o r tM e c h a n i s m so fS u p e r c r i t i c a lF l u i d s U n d e rt h eI n f l
16、 u e n c eo f t h eP i s t o nE f f e c tA c r o s sD i f f e r e n tT i m e s c a l e sA B S T R A C TAf l u i db e c o m e ss u p e r c r i t i c a lo n c ei t st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ee x c e e dt h e i rr e s p e c t i v ec r i t i c a lv a l u e s T h eu n u s u a lp r o p e r t i e so fs u p e r c r i t i c a lf l u i d s( i n c l u d i n gf l u i d - l i k ed e n s i t i e s ，g a s l i k
