跨临界CO2在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变.其中在天然气超声速分离设备和超临界CO2离心压缩机中CO2会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO2在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变.为解决跨临界CO2在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO2在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性.研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面.冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后.在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO2在喷嘴的渐扩段达到声速.随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小.本研究有助于厘清跨临界CO2快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO2膨胀设备的分析和优化设计提供参考.
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