二氧化碳超臨界相變過程中Rayleigh–Bénard對流的實(shí)驗(yàn)研究

趙一凡，吳笛，王佳，李家亮，段隆盛，段俐, 3,，康琦, 3

1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，青島 266590

2.中國科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100190

3.中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049

0 引言

超臨界流體（Supercritical Fluid,SCF）是處于臨界溫度（critical temperature,Tc）和臨界壓力（critical pressure,pc）以上的特殊物質(zhì)相態(tài)（CO2的Tc為31.1 ℃，pc為7.38 MPa）。超臨界現(xiàn)象是Andrew于1869年首次發(fā)現(xiàn)的。在后來的100 多年時(shí)間里，經(jīng)過人們的深入研究，發(fā)現(xiàn)其具有液體和氣體的雙重特性，既有與液體接近的密度，又有與氣體接近的黏度及高擴(kuò)散系數(shù)，因此具有很強(qiáng)的溶解能力和良好的流動(dòng)、傳遞性能，被廣泛用于能源、化學(xué)化工、環(huán)保、食品、生物技術(shù)等諸多領(lǐng)域[1-2]。在超臨界壓力下，有一個(gè)重要的參數(shù)叫擬臨界溫度（指在某一給定壓力下，流體比熱容峰值所對應(yīng)的溫度）。在擬臨界溫度附近，超臨界流體的物性變化非常劇烈[3]。

流體由氣液共存狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過擬臨界溫度時(shí)物性會發(fā)生劇烈變化[4-6]。比如在壓力為7.6 MPa 時(shí)，CO2對應(yīng)的擬臨界溫度為32.3 ℃。在此壓力下，隨著溫度的升高：密度和黏度會出現(xiàn)驟降，在臨界溫度附近5 ℃內(nèi)，密度降低約400 kg/m3，黏度降低約3×105Pa·s；導(dǎo)熱系數(shù)整體呈降低趨勢，但在擬臨界溫度之前會出現(xiàn)窄范圍的驟增現(xiàn)象，并在擬臨界溫度點(diǎn)處達(dá)到峰值。

由于這種獨(dú)特的畸變特性，超臨界二氧化碳（SCO2）布雷頓循環(huán)中通常通過改變溫度、壓力使其處于擬臨界溫度附近，以提高系統(tǒng)效率。邢凱翔[7]發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)入口溫度34 ℃、壓力7.5 MPa 時(shí)，再壓縮循環(huán)效率比簡單布雷頓循環(huán)高5%，一次再熱能提高1.8%的效率。在能源領(lǐng)域，超臨界流體的換熱特性一直是研究的重點(diǎn)之一[8]。熱流密度、質(zhì)量流速、壓力、進(jìn)口溫度、流道形狀等因素對流動(dòng)換熱特性都會產(chǎn)生一定的影響。王鵬飛等[9]發(fā)現(xiàn)SCO2自然循環(huán)的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量隨加熱功率的增大先快速增大后緩慢降低，并通過理論模型分析驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的正確性。楊鳳葉等[10]對豎直管內(nèi)SCO2局部對流換熱進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)：二氧化碳進(jìn)口壓力對熱流體溫度的影響較小，但對換熱系數(shù)影響較大，在換熱前段處換熱系數(shù)會隨壓力的增大而增大，且會更早到達(dá)峰值，換熱后段換熱系數(shù)較??；雷諾數(shù)Re 的大小對換熱系數(shù)的影響較為明顯，熱流體進(jìn)口的Re 越大，局部換熱系數(shù)峰值越高?；葱闾m等[11]對1.31 mm 微管內(nèi)SCO2的局部和平均傳熱與壓降特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量流速越大，壓降越大，傳熱系數(shù)越高；隨系統(tǒng)壓力的升高，最大傳熱系數(shù)降低。

Rayleigh–Bénard（RB）系統(tǒng)是從眾多自然現(xiàn)象中抽象出來的用來研究熱對流現(xiàn)象的經(jīng)典模型[12]，很多學(xué)者基于RB 系統(tǒng)對流體進(jìn)行了關(guān)于湍流熱對流的研究。郗恒東等[13]通過流動(dòng)示標(biāo)和PIV（Particle Image Velocimetry）測量揭示了對流系統(tǒng)的三維立體結(jié)構(gòu)，證明了在湍流熱對流系統(tǒng)中不同的流動(dòng)模式可以得到不同的傳熱效率。周全等[14]介紹了湍流熱對流中的幾個(gè)經(jīng)典問題，從湍流傳熱、相干結(jié)構(gòu)、大尺度環(huán)流和湍流中脈動(dòng)量的小尺度統(tǒng)計(jì)這4 個(gè)方面對前人的成果進(jìn)行了總結(jié)。郗恒東和夏克青[15]于2008年首次在圓柱形RB 系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了第一類多湍流現(xiàn)象，即在相同的控制參數(shù)下，系統(tǒng)的大尺度流動(dòng)存在不同的、可以自發(fā)切換的湍流狀態(tài)（結(jié)構(gòu)）。另一類多湍流現(xiàn)象則是由于流動(dòng)初始時(shí)刻給定了不同的初始條件進(jìn)而演化為不同的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。陳鑫等[16]對2 類多湍流現(xiàn)象進(jìn)行了深入討論，并傾向于認(rèn)為第二類多湍流現(xiàn)象與各態(tài)遍歷假設(shè)是相符的。Accary 等[17]使用有限體積方法對瑞利數(shù)Ra 為106～108的流體進(jìn)行三維RB 對流數(shù)值模擬，并對對流狀態(tài)和向湍流過渡的階段進(jìn)行了時(shí)空描述。Valori 等[18]對超臨界流體的熱對流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了PIV 處理，可觀測流場的速度，并利用流體密度變化引起的光學(xué)畸變，探究了PIV 技術(shù)處理超臨界流體速度的可靠性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PIV 技術(shù)在約 75% 的測量域中是可靠的（即可靠度較高）。

目前對RB 流動(dòng)的研究主要考慮常規(guī)流體的浮力流動(dòng)，關(guān)于超臨界流體在超臨界點(diǎn)附近的對流與相變耦合過程的研究鮮有報(bào)道。當(dāng)下對超臨界流體湍流傳熱的研究主要存在以下幾個(gè)問題：1）研究大多采用數(shù)值模擬方法，結(jié)果的準(zhǔn)確性還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；2）恒溫容器內(nèi)溫度對CO2相變影響的研究較多，溫差對流動(dòng)狀態(tài)影響的研究較少；3）更關(guān)注超臨界流體的直接應(yīng)用和工藝，對SCO2復(fù)雜物性變化導(dǎo)致的非常規(guī)流動(dòng)機(jī)理不清楚。

本文觀測了RB 系統(tǒng)的二氧化碳在跨臨界條件下的相態(tài)變化和流動(dòng)狀態(tài)，在前人研究超臨界流體的觀測基礎(chǔ)上，增加了溫差實(shí)驗(yàn)條件，并對流場進(jìn)行了PIV 速度處理，研究超臨界熱對流、跨臨界“霧化”、冷凝和流動(dòng)分層等物理現(xiàn)象，分析了超臨界、跨臨界等條件下的流態(tài)與速度分布。由于流態(tài)對溫度極為敏感，通過微小溫度變化可使流動(dòng)經(jīng)歷復(fù)雜變化，最終實(shí)現(xiàn)氣液分離。本文可為超臨界流體傳熱、材料制備和物性測量等研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

二氧化碳容器由不銹鋼壓力容器和光學(xué)級人造藍(lán)寶石窗口組成。二氧化碳容器內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槌叽?0 mm（長，L）×20 mm（寬，W）×20 mm（高，H）的二氧化碳方腔（圖1）。方腔頂部安裝制冷片，底部粘貼電熱膜，以保證腔內(nèi)二氧化碳流體的上下溫度差。方腔底部和頂部分別安裝鉑電阻，用來實(shí)時(shí)測量底部溫度Td與頂部溫度Tu。

圖1 超臨界二氧化碳方腔模型及實(shí)物圖Fig.1 Supercritical CO2 container model and physical diagram

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)供氣系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)段、溫控系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)4 部分組成。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system diagram

供氣系統(tǒng)由二氧化碳?xì)馄?、閥組和管路組成，本實(shí)驗(yàn)初始為方腔加注50%的液態(tài)二氧化碳。

實(shí)驗(yàn)段內(nèi)方腔模型尺寸相對較小，內(nèi)部流體密度不同所引起的光學(xué)畸變微小，對向量修正后的速度測量造成的影響可以忽略。

圖像采集系統(tǒng)由高速相機(jī)和PIV 軟件組成，用于記錄二氧化碳的流動(dòng)狀態(tài)，觀測演變過程，完成霧滴等的速度測量。實(shí)驗(yàn)圖像采樣幀率為80 幀/s，可以完成對氣液流態(tài)的實(shí)時(shí)捕捉。立方體系統(tǒng)進(jìn)行PIV 計(jì)算時(shí)，理論上采用片光更合適，能更準(zhǔn)確地計(jì)算出同一平面上的速度值，但由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)側(cè)壁材料不透光，在側(cè)面打入片光非常困難，因此目前進(jìn)行的PIV 計(jì)算是對容器內(nèi)部流場的平均表征。

流場圖由Flir 相機(jī)拍攝，為了更清晰地體現(xiàn)流場狀態(tài)，本文對圖片進(jìn)行了亮度、對比度等調(diào)節(jié)。速度矢量圖是通過對流場圖進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算、對個(gè)別誤差較大向量進(jìn)行修正獲得向量文件，然后將向量文件導(dǎo)入Tecplot 軟件進(jìn)行處理得到。判讀區(qū)大小為32 像素×32 像素，步長為16 像素×16 像素，圖像放大率為0.043 mm/像素，

實(shí)驗(yàn)計(jì)算瑞利數(shù)Ra、普朗特?cái)?shù)Pr 所需的物性參數(shù)來源于REFPROP 軟件中的NIST 數(shù)據(jù)庫，并由MATLAB軟件編制程序索引。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著溫度的降低，SCO2會發(fā)生一系列的相變，根據(jù)流體的宏觀物理特征，整個(gè)相變流動(dòng)過程可劃分為超臨界流動(dòng)、跨臨界流動(dòng)、氣液兩相流動(dòng)3 個(gè)階段。當(dāng)氣液態(tài)二氧化碳分界線逐漸模糊直到消失，這就說明二氧化碳進(jìn)入了超臨界流動(dòng)階段；溫度逐漸降低，越過了二氧化碳臨界溫度時(shí)，宏觀上會出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，這一階段為跨臨界流動(dòng)階段；溫度繼續(xù)降低，容器內(nèi)出現(xiàn)流體分層現(xiàn)象及明顯的氣液界面時(shí)，就進(jìn)入了氣液兩相流動(dòng)階段。

在實(shí)驗(yàn)中降溫過程出現(xiàn)的這3 個(gè)階段，每個(gè)階段每層流體的密度有較大不同，這為示蹤粒子的選擇增加了難度。在臨界點(diǎn)附近，二氧化碳分子擴(kuò)散系數(shù)急劇減小，聚集程度急劇升高，宏觀上出現(xiàn)了充滿霧滴的霧化現(xiàn)象。當(dāng)燈光通過霧滴時(shí)，會出現(xiàn)黑白灰顏色（即為米氏散射）。霧滴直徑與燈光入射波波長（437.2～616.2 nm）相當(dāng)，且有良好的跟隨性，符合作為示蹤粒子的要求。

2.1 超臨界流動(dòng)

在方腔內(nèi)，保持上下底板溫差恒定（ΔT=0.4 ℃）并進(jìn)行線性升溫，直至方腔內(nèi)的二氧化碳進(jìn)入超臨界狀態(tài)，如圖3所示，其中x 和y 分別為沿方腔的長度和高度方向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于方腔的中心。方腔底部溫度較高，SCO2密度較?。豁敳繙囟容^低，SCO2密度較大。由于受到浮力的作用，較熱的低密度流體上升，較冷的高密度流體下沉，腔體內(nèi)的流體形成對流。在對流中存在明顯的羽流現(xiàn)象，冷羽流生成于上溫度邊界層，熱羽流生成于下溫度邊界層，無數(shù)小羽流在腔內(nèi)混合區(qū)內(nèi)相互匯合聚集，最終形成簇狀大股羽流做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。壁面附近羽流速度要大于方腔中心，且最大速度出現(xiàn)在下壁面附近。

圖3 SCO2 在方腔內(nèi)的流動(dòng)（Td=31.6 ℃,Tu=31.20 ℃）Fig.3 Flow of SCO2 in the square cavity(Td=31.6 ℃,Tu=31.20 ℃)

圖4 展示了SCO2在不同壁面溫度和不同溫差下的流動(dòng)狀態(tài)。橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，在上表面溫度不變的情況下，隨著溫差ΔT 增大，腔內(nèi)對流更加劇烈。當(dāng)ΔT=0.2 ℃時(shí)，羽流只出現(xiàn)在上、下壁面附近，并沒有形成整個(gè)容器內(nèi)的環(huán)狀對流（圖4（a））。ΔT 進(jìn)一步增大，羽流的數(shù)量也進(jìn)一步增多，并開始沿壁面附近不斷運(yùn)動(dòng)，腔內(nèi)的對流更加強(qiáng)烈，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更加趨近于無規(guī)則。當(dāng)ΔT=0.6 ℃時(shí)，方腔內(nèi)可以看到明顯的環(huán)狀對流，羽流已經(jīng)存在于整個(gè)方腔，但是方腔中央的羽流較稀疏（圖4（b））。當(dāng)ΔT=1.0 ℃時(shí)，羽流充滿整個(gè)方腔，對流的速度加快，且腔內(nèi)呈現(xiàn)出復(fù)雜的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)模式（圖4（c））?？v向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯讦 相同的情況下，增大上（下）底板的溫度，流體中的羽流數(shù)量、大小和流動(dòng)狀態(tài)并不會發(fā)生較大變化。由此可以看出，方腔內(nèi)SCO2的流動(dòng)狀態(tài)對溫差敏感度較高，而對相同溫差下的溫度高低敏感度較低。

圖4 不同壁面溫度和不同溫差下方腔內(nèi)的SCO2 流動(dòng)Fig.4 SCO2 flow in the square cavity under different wall temperatures and temperature differences

值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)過程中方腔兩側(cè)會有流體噴涌而出，并隨著時(shí)間的演化沉積到底部。這是由于方腔兩側(cè)開有二氧化碳的進(jìn)氣管道和壓力測量的管道，且管道存在不可忽略的體積，會存留部分SCO2，而且管道中的SCO2不易受到上下加熱底板的作用，導(dǎo)致管內(nèi)流體與腔內(nèi)流體存在一定的溫差，管內(nèi)溫度較低、流體密度較大，因浮力不斷噴涌下沉至方腔底部，腔內(nèi)溫度較高、流體密度較小，因浮力不斷爬升至管內(nèi)，不斷循環(huán)。

2.2 跨臨界流動(dòng)

當(dāng)溫度跨過臨界點(diǎn)時(shí)，流體的熱物性會發(fā)生劇烈的變化，這就是超臨界流體的物性畸變特性。SCO2在跨過臨界點(diǎn)時(shí)，跨臨界相變過程與熱對流過程耦合，會產(chǎn)生一些特殊的流動(dòng)現(xiàn)象。

以恒定的上下底板溫差ΔT 對SCO2進(jìn)行線性降溫，當(dāng)流體的平均溫度降低至臨界點(diǎn)附近時(shí)，會出現(xiàn)“霧化”現(xiàn)象。首先，當(dāng)溫度為Td=30.2 ℃、Tu=29.81 ℃時(shí)，壓力約為7.21 MPa，Pr≈16.22，Ra≈1.40×1010。如圖5（a）所示，此時(shí)下底板附近開始出現(xiàn)霧狀流體，其形狀與Rayleigh–Bénard 對流中的“蘑菇狀”羽流結(jié)構(gòu)類似，并順著對流方向沿壁面不斷鋪展開來；同時(shí)，上底板開始冷凝出體積很小的液滴，由于質(zhì)量較小，且對流會產(chǎn)生水平方向的力，所以液滴下落時(shí)也會沿壁面下落至下底板。起初2 種不同形式的相變過程分別占據(jù)了方腔的左下和右上兩部分，在液滴域，受重力影響，液滴的下落速度會加快，且液滴的下落速度大于霧滴運(yùn)動(dòng)速度。隨后，當(dāng)溫度到達(dá)Td=30.0 ℃、Tu=29.72 ℃時(shí)，壓力約為7.20 MPa，Pr≈14.89，Ra≈1.12×1010，上下底板和壁面不斷產(chǎn)生霧狀流體，腔內(nèi)霧狀流體不斷增多，并有規(guī)則地沿壁面流動(dòng)形成環(huán)流。由于方腔中部霧滴較少，可以清楚地看到液滴下落，所以在速度矢量圖中呈現(xiàn)出越靠近中部速度越快的趨勢，如圖5（b）所示。最后，當(dāng)溫度到達(dá)Td=29.8 ℃、 Tu=29.57 ℃時(shí)，壓力約為7.16 MPa，Pr≈13.04，Ra≈7.95×109，如圖5（c）所示，霧狀流體充斥整個(gè)方腔，流動(dòng)狀態(tài)也變得無規(guī)律，霧滴逐漸沉降到容器底部，速度的趨勢和形成原因與上一過程（圖5（b））類似。在此過程（圖5（c））中，液滴凝結(jié)這一現(xiàn)象持續(xù)存在，是二氧化碳由超臨界態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上嗟倪^程，該過程跨越了臨界點(diǎn)，擴(kuò)散系數(shù)急劇減小，CO2的Pr 在13～17 之間，Ra 在0.80×1010～1.40×1010之間，二氧化碳的聚集程度急劇升高，宏觀上表現(xiàn)為“霧化”現(xiàn)象。

圖5 跨臨界下的方腔內(nèi)CO2 流動(dòng)過程Fig.5 CO2 flow process in square cavity under transcritical conditions

2.3 氣液兩相流動(dòng)

在平均溫度低于約29.6 ℃之后，方腔內(nèi)隨即出現(xiàn)了二氧化碳?xì)庖航缑?。此過程內(nèi)CO2的Pr 在8.07～11.27 之間，Ra 在3.95×109～9.08×109之間，由于方腔上、下底板存在溫差（即豎直方向存在溫度梯度），且此時(shí)的內(nèi)部流體比熱急劇下降，流體對溫度極為敏感，在極小的溫差下就會表現(xiàn)出截然不同的物理現(xiàn)象，所以內(nèi)部會出現(xiàn)氣液分層對流與相變的耦合現(xiàn)象。

如圖6所示，溫度冷卻到臨界點(diǎn)Tc以下，當(dāng)Td=29.7 ℃，Tu=29.34 ℃時(shí)，壓力約為7.14 MPa，Pr≈10.44，Ra≈9.08×109，在方腔中部開始產(chǎn)生流動(dòng)分層現(xiàn)象，可分為絮狀羽流域（域1），霧滴聚集域（域2）和液相域（域3）。在絮狀羽流域（域1）主要由氣相二氧化碳和一層較小密度霧滴組成，該霧狀流體在溫差作用下，以蘑菇狀羽流的形式上下運(yùn)動(dòng)，在2 個(gè)方向羽流交匯處（3/4H），霧滴顆粒的速度達(dá)到最大。豎直向上的羽流會帶動(dòng)周圍的流體向下運(yùn)動(dòng)形成渦流，渦流的存在會使本來豎直向上的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生水平位移，所以每個(gè)羽流會像水草一樣向上或向下?lián)u曳運(yùn)動(dòng)。霧滴聚集域（域2）為液相與氣相的過渡域，由一層高密度的懸浮微液滴組成，圖像呈現(xiàn)深灰色霧狀陰影。將霧滴聚集域的局部進(jìn)行放大，可以清楚地看到內(nèi)部密集的霧滴，此區(qū)域下方霧滴聚集較為密集，整體顏色也更深，向上逐漸稀疏，且霧滴的運(yùn)動(dòng)以水平方向?yàn)橹?。液相域（?）沉積在容器的底部并呈現(xiàn)灰色，這是由液相域底部沸騰產(chǎn)生的高密度微氣泡導(dǎo)致的，微氣泡在浮力的作用下上浮，因此液相域中可以觀測到向上的速度矢量。

圖6 氣液相階段方腔內(nèi)CO2 流動(dòng)過程（Td=29.7 ℃,Tu=29.34 ℃）Fig.6 CO2 flow process in square cavity in gas-liquid phase(Td=29.7 ℃,Tu=29.34 ℃)

隨著方腔整體溫度的不斷降低，流動(dòng)分層現(xiàn)象會發(fā)生改變。當(dāng)溫度降低至Td=29.6 ℃、Tu=29.24 ℃時(shí)，壓力約為7.12 MPa，Pr≈11.27，Ra≈5.42×109，如圖7（a）所示，方腔流動(dòng)的液相域（域3）高度明顯上升，且氣相液滴生成域（域1）中絮狀羽流消失，二氧化碳在頂部的低溫壁面冷凝形成較大尺寸的液滴，霧滴聚集域（域2）中的霧滴密度明顯降低。當(dāng)溫度降低至Td=29.6 ℃、Tu=29.20 ℃時(shí)，壓力約為7.12 MPa，Pr≈9.81，Ra≈7.78×109，如圖7（b）所示，液相域（域3）高度無明顯變化，中間層霧滴聚集域（域2）的霧滴變得稀疏，并出現(xiàn)了空洞區(qū)（域4），霧滴聚集域的流體內(nèi)部會出現(xiàn)左右2 個(gè)大渦流，氣流裹挾著霧滴聚集由中間向上運(yùn)動(dòng)，并在域1 與域2 交界處向四面散開來。當(dāng)溫度降低至Td=29.3 ℃、Tu=29.00 ℃時(shí)，壓力約為7.08 MPa，Pr≈10.00，Ra≈3.95×109，如圖7（c）所示，氣相霧滴聚集域不斷向上擴(kuò)展，此時(shí)方腔內(nèi)的流動(dòng)由3 層流動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)? 層流動(dòng)結(jié)構(gòu)，在液相域內(nèi)出現(xiàn)更為顯著的水平運(yùn)動(dòng)，由于頂部低溫端的冷凝液滴體積隨著溫度的降低不斷增大，下落速度也在增加，隨著氣態(tài)CO2不斷凝結(jié)，底部的氣液界面略有上升。

圖7 氣液分層Fig.7 Gas-liquid stratification

隨著溫度的降低，霧滴持續(xù)聚團(tuán)冷凝，在重力的作用下滴落。當(dāng)Td=29.1 ℃、Tu=28.80 ℃時(shí)，壓力約為7.04 MPa，Pr≈8.07，Ra≈4.75×109，如圖8所示，氣相霧滴聚集域中霧滴逐漸消弭，氣相變得清澈，附著在壁面上的冷凝液滴體積隨溫度的降低而增大。液相為沸騰與熱對流的耦合流動(dòng)，通過液相沸騰產(chǎn)生的微氣泡可以反映其內(nèi)部流動(dòng)。液相域的流動(dòng)為無規(guī)則非定常流動(dòng)，且在底部的熱壁面可明顯觀測到噴射狀的羽流結(jié)構(gòu)。

圖8 氣液相完全分離（Td=29.1 ℃,Tu=28.80 ℃）Fig.8 Complete separation of gas-liquid phases(Td=29.1 ℃,Tu=28.80 ℃)

隨著時(shí)間的推移，溫度降低到室溫（約20 ℃），液態(tài)二氧化碳不再沸騰，氣態(tài)二氧化碳不再冷凝，兩相達(dá)到平衡。此時(shí)方腔內(nèi)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的氣液相共存狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 氣液相清澈Fig.9 The gas-liquid phase is clear

3 結(jié)論

本文研究了透明方腔內(nèi)的超臨界二氧化碳在特定溫差下降溫過程的物態(tài)演化，觀測了超臨界流動(dòng)、跨臨界流動(dòng)和氣液兩相流動(dòng)3 個(gè)階段的RB 對流物理圖像和流動(dòng)特點(diǎn)。

在超臨界流動(dòng)階段，浮力引起的流動(dòng)主要表現(xiàn)為環(huán)狀熱對流和羽流結(jié)構(gòu)，流動(dòng)的形態(tài)對溫差敏感。隨著溫差的增加，渦流的環(huán)流增強(qiáng)，且羽流結(jié)構(gòu)區(qū)域增加。在跨臨界流動(dòng)階段，超臨界二氧化碳出現(xiàn)冷凝霧化的過程，霧滴最先在流場的底部形成蘑菇狀羽流，在流場頂部冷凝形成較大尺寸的液滴。隨著溫度降低，霧滴占據(jù)整個(gè)流場，并跟隨渦流速度場形成霧狀環(huán)流。在氣液兩相流動(dòng)階段，氣液相分離過程導(dǎo)致復(fù)雜的多層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在液相區(qū)為沸騰與熱對流耦合的流動(dòng)狀態(tài)，而氣相區(qū)又可細(xì)分為氣相霧滴聚集域和氣相液滴生成域。氣相霧滴聚集域不斷擴(kuò)展并占滿整個(gè)氣相，而后隨著霧滴的重力沉降，氣相霧滴聚集域逐漸消失，最后呈現(xiàn)清澈的氣相狀態(tài)。隨著溫度降低，超臨界二氧化碳經(jīng)歷霧化、分層、冷凝、相分離等復(fù)雜的物理過程，最終形成明顯的氣液界面。

致謝：感謝中國載人航天工程對本文工作的大力支持。