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　　工學院張信榮課題組在超/近臨界流體熱質傳遞基礎理論方面取得系列進展

　　近期，北京大學工學院張信榮課題組在超/近臨界流體熱質傳遞基礎理論方面取得了系列研究進展，在流體力學領域頂級期刊Journal of Fluid Mechanics, Physical Review E雜志上發表了系列論文。

　　對于純物質，臨界點是其相圖中的一個特殊點，當流體的溫度和壓力同時高于其臨界溫度和臨界壓力時，此時的流體稱為超臨界流體。特別地，在臨界點附近物性會呈現諸如熱擴散系數趨于零、熱膨脹系數趨于無窮等特殊變化，流體密度對溫度、壓力的微小變化異常敏感。這種特殊的物性變化對不同種類的流體具有普適性，可以用普適標度律來描述，相關研究曾獲得1982年諾貝爾物理學獎。從應用上來說，臨界點附近物性狀態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、食品及醫藥生產等領域的廣泛應用。

　　自上世紀80年代起，研究人員普遍關注特殊物性下的熱量傳遞及相關效應，核心問題包括“活塞效應”(近臨界流體中存在的一種快速熱平衡現象)的機理以及Rayleigh-Bénard自然對流的啟動判據。而在超臨界流體的實際應用中，質量傳遞是非常普遍的過程，而臨界點附近的質量傳遞及相關效應尚未得到充分的認識。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量傳遞及相關效應為主題展開了系列研究。

　　課題組拓展了活塞效應的概念，揭示了封閉體系中邊界質量傳遞引起的活塞效應(簡稱為質活塞效應)。從機理上，質活塞效應源于臨界點附近偏摩爾體積的異常變化。考慮偏摩爾體積大于零的情形，當邊界濃度升高后(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。此時由物質傳遞所帶入體系的能量便以這種“膨脹—擠壓”機制迅速從邊界傳至其他區域，效率大大提升。進一步地，由于Dufour效應的存在，傳質會耦合地引發傳熱，引起伴生的熱活塞效應。課題組通過理論分析得到了質活塞效應的能量效率表達式，揭示了兩種活塞效應的疊加性。

　　隨后，課題組針對Rayleigh-Bénard框架下濃度梯度驅動的自然對流判據展開了理論研究。由于絕熱溫度梯度的存在，流動同時由濃度和溫度控制，屬于雙擴散對流問題。課題組基于線性理論，通過數值計算得到了中性穩定性條件，并與Boussinesq近似下的解析判據進行對比，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。進一步地，考慮方腔底部瞬態濃度升高問題，將判據應用于解釋濃度邊界層的行為上，揭示了對流發生、羽流升起、重歸穩定三種邊界層的典型行為。相關成果發表在《Journal of Fluid Mechanics》

　　在以上工作的啟發下，課題組針對近臨界二元混合流體雙擴散對流穩定性開展了系統的研究，分別討論了指形對流區及震蕩對流區中非Boussinesq效應對穩定性的影響。結果表明，在所有的非Boussinesq效應中，對穩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，垂直方向的對稱性被打破，中性穩定性曲線上的最不穩定模態由原本的單渦演變為分層渦(指形對流區)以及貓眼渦(震蕩對流區)。從對流啟動的機理出發，課題組提出了一個綜合參數用于衡量非Boussinesq效應強度的物理量，用于指示流場中最不穩定的部分。這部分研究成果發表在《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熱能源轉換系統與技術、新型功能型流體材料的開發、微納米相變傳熱、傳熱優化方法以及新型熱力學循環構建等領域的研究工作。

　　該系列論文的第一作者為課題組博士生胡戰超，部分研究工作與美國西北大學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基金(資助號：51776002)以及國家留學基金委(資助號：201706010268)資助。

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