二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱與流動(dòng)特性的深度剖析與模型構(gòu)建一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)和科技的飛速發(fā)展進(jìn)程中，眾多領(lǐng)域如能源、化工、電子等，都面臨著設(shè)備在高溫或高壓環(huán)境下運(yùn)行的挑戰(zhàn)。為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止因過(guò)熱導(dǎo)致的失效，高效的冷卻技術(shù)顯得尤為重要。氣冷技術(shù)作為一種關(guān)鍵的冷卻方式，憑借其相較于傳統(tǒng)液冷技術(shù)在安全可靠性、效率以及成本等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，在各領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在能源領(lǐng)域，氣冷技術(shù)可應(yīng)用于核電站的冷卻系統(tǒng)，保障核反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行；在電子領(lǐng)域，它被用于電子設(shè)備的散熱，確保芯片等關(guān)鍵部件在適宜的溫度下工作，提升設(shè)備性能和壽命。然而，高溫下氣體的傳熱和流動(dòng)現(xiàn)象極為復(fù)雜，深入理解和研究這些特性仍是當(dāng)前氣冷技術(shù)發(fā)展中極具挑戰(zhàn)性的課題。二氧化碳微通道平行流氣冷器作為氣冷技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)緊湊、耐壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在二氧化碳制冷系統(tǒng)等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可或缺的作用。特別是在跨臨界二氧化碳循環(huán)中，該氣冷器承擔(dān)著將高溫高壓的二氧化碳?xì)怏w冷卻為高壓液體的重要任務(wù)，其傳熱與流動(dòng)特性直接影響著整個(gè)制冷系統(tǒng)的性能和效率。在汽車空調(diào)的二氧化碳制冷系統(tǒng)里，氣冷器性能的優(yōu)劣決定了空調(diào)的制冷效果和能耗水平。深入研究二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)揭示其內(nèi)部傳熱和流動(dòng)的規(guī)律，能夠?yàn)闅饫淦鞯膬?yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，進(jìn)而提升氣冷技術(shù)的效率和可靠性。這不僅有助于推動(dòng)二氧化碳制冷技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，還能為解決實(shí)際工程中的冷卻問(wèn)題提供有效的技術(shù)支持和創(chuàng)新方案，促進(jìn)各行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探討二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱和流動(dòng)特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬分析以及數(shù)學(xué)模型建立等方法，全面揭示其內(nèi)在規(guī)律，為氣冷器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提升提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，具體內(nèi)容如下：傳熱與流動(dòng)特性及影響因素研究：通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)二氧化碳微通道平行流氣冷器在不同工況下的傳熱和流動(dòng)特性展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)地測(cè)量并記錄不同溫度、壓力、二氧化碳質(zhì)量流量以及空氣速度等條件下，氣冷器的進(jìn)出口溫度、壓力降、換熱量等關(guān)鍵參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，深入分析這些工況參數(shù)對(duì)氣冷器傳熱系數(shù)、流動(dòng)阻力等特性的具體影響規(guī)律。以二氧化碳質(zhì)量流量為例，研究其增加時(shí)，微通道內(nèi)流體的雷諾數(shù)（Re）如何變化，進(jìn)而探究Re的變化對(duì)湍流擴(kuò)散率、管內(nèi)溫度梯度以及換熱面積的影響，最終明確其對(duì)傳熱性能的作用機(jī)制。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)二氧化碳微通道平行流氣冷器內(nèi)部的流動(dòng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行高精度的數(shù)值模擬。在模擬過(guò)程中，建立準(zhǔn)確的氣冷器幾何模型，合理選擇湍流模型、傳熱模型以及邊界條件等參數(shù)。將模擬結(jié)果與上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的對(duì)比分析，深入探究?jī)烧咧g的差異及其產(chǎn)生的原因。通過(guò)這種對(duì)比驗(yàn)證，不僅可以檢驗(yàn)數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，還能進(jìn)一步加深對(duì)氣冷器內(nèi)部復(fù)雜物理現(xiàn)象的理解，為后續(xù)的研究提供更有力的支持。數(shù)學(xué)模型建立：基于上述實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬所獲得的數(shù)據(jù)，綜合考慮二氧化碳的物性參數(shù)、微通道的幾何結(jié)構(gòu)以及各種工況條件等因素，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法建立能夠準(zhǔn)確描述二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱和流動(dòng)特性的數(shù)學(xué)模型。對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，確保其能夠精確地預(yù)測(cè)氣冷器在不同工況下的性能參數(shù)，為氣冷器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及實(shí)際工程應(yīng)用提供高效、可靠的理論計(jì)算工具。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，全面深入地探究二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性。在實(shí)驗(yàn)研究方面，精心設(shè)計(jì)并搭建專門的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于模擬各種實(shí)際工況。對(duì)二氧化碳微通道平行流氣冷器在不同溫度、壓力、二氧化碳質(zhì)量流量以及空氣速度等條件下的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試。利用高精度的溫度傳感器、壓力傳感器和流量測(cè)量裝置，準(zhǔn)確測(cè)量氣冷器的進(jìn)出口溫度、壓力降以及換熱量等關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，能夠直觀地了解氣冷器在不同工況下的實(shí)際運(yùn)行性能，為后續(xù)的研究提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。在數(shù)值模擬方面，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)氣冷器內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。在模擬過(guò)程中，通過(guò)建立精確的氣冷器幾何模型，充分考慮微通道的形狀、尺寸以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素。合理選擇湍流模型、傳熱模型以及邊界條件等參數(shù)，確保模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映氣冷器內(nèi)部的物理現(xiàn)象。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，深入研究?jī)烧咧g的差異及其產(chǎn)生的原因。通過(guò)這種對(duì)比驗(yàn)證，不僅可以提高數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，還能進(jìn)一步深化對(duì)氣冷器內(nèi)部傳熱和流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是考慮多因素耦合影響，在研究中全面考慮了二氧化碳物性參數(shù)、微通道幾何結(jié)構(gòu)以及各種工況條件等多因素之間的耦合作用，建立更加全面和準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。二是高精度數(shù)值模擬，采用先進(jìn)的CFD軟件和優(yōu)化的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)氣冷器內(nèi)部的流動(dòng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行高分辨率的模擬，更準(zhǔn)確地揭示其內(nèi)部復(fù)雜的物理現(xiàn)象。三是實(shí)驗(yàn)與模擬深度融合，將實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬緊密結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和修正數(shù)值模擬結(jié)果，同時(shí)利用數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩者的相互促進(jìn)和協(xié)同發(fā)展。二、文獻(xiàn)綜述2.1氣冷技術(shù)發(fā)展歷程氣冷技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高空環(huán)境下運(yùn)行，傳統(tǒng)的液冷方式存在冷卻液結(jié)冰、泄漏等問(wèn)題，氣冷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。早期的氣冷技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要通過(guò)自然對(duì)流或低速氣流來(lái)帶走熱量，冷卻效果有限。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求不斷提高，氣冷技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展。在20世紀(jì)30年代至40年代，氣冷技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用逐漸成熟，出現(xiàn)了一些采用氣冷技術(shù)的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，英國(guó)的布里斯托爾“大力神”發(fā)動(dòng)機(jī)，它采用了氣冷星型氣缸布局，通過(guò)多個(gè)氣缸周圍的散熱片和高速氣流進(jìn)行熱交換，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在高空環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行，為當(dāng)時(shí)的航空事業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力。20世紀(jì)中葉，核能技術(shù)興起，氣冷技術(shù)在核電站領(lǐng)域得到了應(yīng)用。早期的核電站采用的是石墨氣冷堆，以二氧化碳作為冷卻劑，石墨作為慢化劑。英國(guó)在1956年建成的卡德霍爾核電站，是世界上第一座商用石墨氣冷堆核電站。這種反應(yīng)堆利用二氧化碳?xì)怏w在堆芯中循環(huán)流動(dòng)，帶走核燃料裂變產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆的冷卻。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，石墨氣冷堆逐漸暴露出一些問(wèn)題，如二氧化碳的腐蝕性、堆芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。為了解決這些問(wèn)題，高溫氣冷堆技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。高溫氣冷堆采用氦氣作為冷卻劑，具有更高的熱效率和安全性。美國(guó)在20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究高溫氣冷堆技術(shù)，并于1967年建成了桃花谷高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)堆，這標(biāo)志著高溫氣冷堆技術(shù)進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)研究階段。隨后，德國(guó)、日本等國(guó)家也相繼開(kāi)展了高溫氣冷堆的研究和開(kāi)發(fā)工作。同一時(shí)期，在電子設(shè)備領(lǐng)域，隨著電子元件集成度的不斷提高，產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越多，對(duì)冷卻技術(shù)提出了更高的要求。氣冷技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備散熱中得到了廣泛應(yīng)用。最初，電子設(shè)備的氣冷主要依靠自然對(duì)流，通過(guò)設(shè)備外殼上的散熱孔和空氣的自然流動(dòng)來(lái)散熱。隨著電子設(shè)備功率的不斷增加，自然對(duì)流冷卻已無(wú)法滿足需求，于是強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。強(qiáng)制風(fēng)冷通過(guò)風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)將冷空氣引入設(shè)備內(nèi)部，與發(fā)熱元件進(jìn)行熱交換，然后將熱空氣排出設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的冷卻。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，早期的大型計(jì)算機(jī)采用的是簡(jiǎn)單的風(fēng)冷散熱方式，通過(guò)機(jī)箱內(nèi)的風(fēng)扇將空氣吹過(guò)電路板和芯片，帶走熱量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)散熱要求越來(lái)越高，出現(xiàn)了更加高效的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，如熱管風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，它利用熱管的高效傳熱特性，將熱量快速傳遞到散熱鰭片上，再通過(guò)風(fēng)扇將熱量散發(fā)出去，大大提高了散熱效率。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科技的飛速發(fā)展，氣冷技術(shù)在更多領(lǐng)域得到了拓展和應(yīng)用。在新能源汽車領(lǐng)域，電池和電機(jī)的散熱成為關(guān)鍵問(wèn)題。氣冷技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單、可靠的散熱方式，被應(yīng)用于部分新能源汽車的電池和電機(jī)冷卻系統(tǒng)中。特斯拉在早期的一些車型中，采用了氣冷電池散熱系統(tǒng)，通過(guò)將冷空氣引入電池組內(nèi)部，帶走電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，保證電池的性能和壽命。在工業(yè)領(lǐng)域，氣冷技術(shù)在各種工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，如化工設(shè)備、冶金設(shè)備等。在化工生產(chǎn)中，一些反應(yīng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要及時(shí)冷卻以保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。采用氣冷技術(shù)的換熱器可以將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳遞給空氣，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)體系的冷卻。在冶金工業(yè)中，氣冷技術(shù)用于冷卻金屬熔煉過(guò)程中的高溫設(shè)備，如高爐、轉(zhuǎn)爐等，保證設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命。2.2氣冷器分類及特點(diǎn)氣冷器作為氣冷技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行多種分類，每類氣冷器都有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。按冷卻方式的不同，氣冷器可分為干式空冷器、濕式空冷器、干-濕聯(lián)合空冷器和兩側(cè)噴淋聯(lián)合空冷器。干式空冷器僅依靠空氣溫升的顯熱方式來(lái)交換熱量，通過(guò)翅片管和風(fēng)機(jī)強(qiáng)制循環(huán)強(qiáng)化傳熱。這種冷卻器操作簡(jiǎn)單，使用方便，但由于其冷卻溫度取決于空氣的干球溫度，一般只能把管內(nèi)熱流體冷卻到高于環(huán)境溫度15-20℃，在我國(guó)南方濕熱地區(qū)，其冷卻效果可能受限。濕式空冷器根據(jù)噴水方式，又可細(xì)分為表面蒸發(fā)型、增濕型和噴淋型3種，在石化工業(yè)中以后兩種為主。其中，噴淋型濕式空冷器直接在翅片管束上噴霧狀水，利用水分蒸發(fā)的潛熱交換和空氣被增濕降溫來(lái)強(qiáng)化傳熱，同時(shí)，水霧的存在可使空冷器入口空氣溫度接近環(huán)境濕球溫度，提高了傳熱平均溫差，在3%噴淋量下?lián)Q熱系數(shù)可比干式空冷器提高2-4倍。干-濕聯(lián)合式空冷器則是將干式空冷器與濕式空冷器組合集成，一般在工藝流體高溫區(qū)用干式空冷器起氣體冷凝作用，在低溫區(qū)使用濕式空冷器起冷凝液冷卻作用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。按照管束布置型式，氣冷器可分為水平式空冷器、斜頂式空冷器、立式空冷器和圓環(huán)式空冷器。水平式空冷器的管束呈水平布置，結(jié)構(gòu)較為常見(jiàn)，安裝和維護(hù)相對(duì)方便；斜頂式空冷器的管束布置成一定角度的傾斜狀，有助于提高空氣流動(dòng)的均勻性和換熱效率；立式空冷器的管束垂直布置，占地面積小，適用于空間有限的場(chǎng)合；圓環(huán)式空冷器的管束呈圓環(huán)形狀排列，能夠在有限的空間內(nèi)增加換熱面積，提高換熱能力。從通風(fēng)方式來(lái)看，氣冷器可分為自然通風(fēng)式空冷器、鼓風(fēng)式空冷器和引風(fēng)式空冷器。自然通風(fēng)式空冷器依靠自然風(fēng)進(jìn)行冷卻，無(wú)需額外的動(dòng)力設(shè)備，運(yùn)行成本低，但冷卻效果受自然風(fēng)速和風(fēng)向的影響較大；鼓風(fēng)式空冷器通過(guò)風(fēng)機(jī)將空氣吹向管束，冷卻效果相對(duì)穩(wěn)定，但風(fēng)機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定的噪音；引風(fēng)式空冷器則是通過(guò)風(fēng)機(jī)將管束中的熱空氣抽出，使冷空氣進(jìn)入管束進(jìn)行冷卻，其優(yōu)點(diǎn)是空氣流動(dòng)較為均勻，換熱效果較好，但對(duì)風(fēng)機(jī)的性能要求較高。微通道平行流氣冷器作為一種特殊類型的氣冷器，在結(jié)構(gòu)和性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在結(jié)構(gòu)上，它屬于緊湊型換熱器，主要由扁平的微通道扁管和集管組成，扁管內(nèi)設(shè)有多個(gè)微小通道，制冷劑在微通道內(nèi)流動(dòng)，與管外的冷卻空氣進(jìn)行熱交換。這種結(jié)構(gòu)使得微通道平行流氣冷器具有非常高的換熱面積密度，能夠在較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的熱交換。與傳統(tǒng)的管殼式氣冷器相比，其體積可大幅減小，重量也顯著降低。在性能方面，微通道平行流氣冷器具有出色的耐壓能力，能夠滿足二氧化碳制冷系統(tǒng)等高壓工況的要求。其微通道結(jié)構(gòu)使得制冷劑在管內(nèi)的流動(dòng)更加穩(wěn)定，傳熱效率高，尤其是在處理小流量、高壓力的氣體時(shí)，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。由于微通道的尺寸較小，制冷劑在通道內(nèi)的流速較高，能夠增強(qiáng)對(duì)流換熱效果，提高傳熱系數(shù)。此外，微通道平行流氣冷器還具有良好的適應(yīng)性，能夠根據(jù)不同的工況和需求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)和調(diào)整，通過(guò)改變微通道的尺寸、數(shù)量和排列方式等參數(shù)，可以優(yōu)化其傳熱和流動(dòng)性能，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的要求。2.3二氧化碳微通道平行流氣冷器研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著二氧化碳制冷技術(shù)的發(fā)展，二氧化碳微通道平行流氣冷器作為關(guān)鍵部件，受到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究取得了一定進(jìn)展。在傳熱特性研究方面，李程等學(xué)者通過(guò)在微通道平行流式氣冷器內(nèi)進(jìn)行的CO?壓降和換熱特性實(shí)驗(yàn)研究，探討了跨臨界CO?循環(huán)換熱過(guò)程中制冷劑質(zhì)量流量、系統(tǒng)壓力對(duì)氣冷器換熱性能、進(jìn)出口壓降的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在接近臨界溫度時(shí)，CO?物理性能受壓力和溫度的影響較大，換熱系數(shù)是遠(yuǎn)離臨界區(qū)的7-9倍；隨著CO?質(zhì)量流量的提高，微通道管內(nèi)流體Re相應(yīng)提高，而較高的Re又使得湍流擴(kuò)散率、管內(nèi)溫度梯度增大，同時(shí)在制冷劑入口附近的微通道換熱器高溫區(qū)域面積增大。在流動(dòng)特性研究中，有學(xué)者運(yùn)用CFD軟件對(duì)二氧化碳微通道平行流氣冷器內(nèi)部的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)，氣冷器內(nèi)部的流動(dòng)存在著明顯的不均勻性，尤其是在集管與扁管的連接處，容易出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)和回流現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致制冷劑在各扁管中的流量分配不均，進(jìn)而影響氣冷器的整體性能。通過(guò)優(yōu)化集管與扁管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和連接方式，可以有效改善氣冷器內(nèi)部的流動(dòng)均勻性，降低流動(dòng)阻力。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。一方面，對(duì)于二氧化碳微通道平行流氣冷器在復(fù)雜工況下的傳熱與流動(dòng)特性研究還不夠深入，如在變工況、非穩(wěn)態(tài)條件下的性能變化規(guī)律尚未完全明確。另一方面，雖然已有一些關(guān)于氣冷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，但大多僅考慮單一因素的影響，缺乏對(duì)多因素耦合作用的綜合分析。在實(shí)際應(yīng)用中，氣冷器的性能受到多種因素的共同作用，如二氧化碳物性參數(shù)、微通道幾何結(jié)構(gòu)、工況條件等，因此需要開(kāi)展更全面、系統(tǒng)的研究，以建立更加準(zhǔn)確的傳熱和流動(dòng)模型，為氣冷器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更有力的理論支持。三、二氧化碳微通道平行流氣冷器實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與搭建本實(shí)驗(yàn)搭建的二氧化碳微通道平行流氣冷器實(shí)驗(yàn)裝置，主要由二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)、氣冷器測(cè)試段、空氣循環(huán)系統(tǒng)以及測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)等部分組成，旨在模擬不同工況下二氧化碳在微通道平行流氣冷器中的傳熱與流動(dòng)過(guò)程，從而獲取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分，其作用是實(shí)現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)流動(dòng)，并提供不同的工況條件。該系統(tǒng)主要包括二氧化碳儲(chǔ)罐、高壓柱塞泵、預(yù)熱器、質(zhì)量流量計(jì)、背壓閥等設(shè)備。二氧化碳儲(chǔ)罐用于儲(chǔ)存液態(tài)二氧化碳，為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的工質(zhì)來(lái)源。高壓柱塞泵負(fù)責(zé)將儲(chǔ)罐中的液態(tài)二氧化碳加壓至實(shí)驗(yàn)所需的壓力，壓力范圍可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求在一定區(qū)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以模擬不同的工作壓力工況。預(yù)熱器則用于將加壓后的液態(tài)二氧化碳加熱至設(shè)定的溫度，使其達(dá)到氣態(tài)并具備合適的初始溫度條件進(jìn)入氣冷器。質(zhì)量流量計(jì)安裝在二氧化碳管路中，能夠精確測(cè)量二氧化碳的質(zhì)量流量，通過(guò)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速或其他流量控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量流量工況的模擬，流量測(cè)量精度可達(dá)±0.5%。背壓閥安裝在系統(tǒng)的出口位置，用于調(diào)節(jié)和維持系統(tǒng)內(nèi)的壓力穩(wěn)定，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中二氧化碳在設(shè)定的壓力下進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。氣冷器測(cè)試段是實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵部位，二氧化碳微通道平行流氣冷器就安裝在此處。氣冷器主要由扁平的微通道扁管和集管組成，扁管內(nèi)設(shè)有多個(gè)微小通道，制冷劑在微通道內(nèi)流動(dòng)，與管外的冷卻空氣進(jìn)行熱交換。在氣冷器的進(jìn)出口管道上，分別安裝了高精度的溫度傳感器和壓力傳感器，用于測(cè)量二氧化碳在進(jìn)出氣冷器時(shí)的溫度和壓力。溫度傳感器采用T型熱電偶，其測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃，能夠準(zhǔn)確捕捉二氧化碳在換熱過(guò)程中的溫度變化。壓力傳感器的精度為±0.01MPa，可精確測(cè)量氣冷器進(jìn)出口的壓力，進(jìn)而計(jì)算出壓力降，為研究二氧化碳的流動(dòng)阻力特性提供數(shù)據(jù)支持?？諝庋h(huán)系統(tǒng)為氣冷器提供冷卻空氣，以實(shí)現(xiàn)二氧化碳與空氣之間的熱交換。該系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、空氣過(guò)濾器、空氣加熱器、流量計(jì)以及風(fēng)道等組成。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器，去除空氣中的雜質(zhì)和灰塵，保證進(jìn)入氣冷器的空氣清潔，避免雜質(zhì)對(duì)氣冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損害?？諝饧訜崞饔糜谡{(diào)節(jié)空氣的溫度，通過(guò)控制加熱器的功率，可以實(shí)現(xiàn)不同溫度的空氣進(jìn)入氣冷器，模擬不同的環(huán)境溫度工況。流量計(jì)用于測(cè)量空氣的流量，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或風(fēng)道中的閥門開(kāi)度，可以改變空氣的流量，從而研究空氣流速對(duì)氣冷器傳熱性能的影響。測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量和數(shù)據(jù)采集。除了上述提到的溫度傳感器、壓力傳感器和質(zhì)量流量計(jì)、空氣流量計(jì)外，還配備了數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀與各個(gè)傳感器相連，能夠?qū)崟r(shí)采集并記錄溫度、壓力、流量等參數(shù)數(shù)據(jù)。采集頻率可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行設(shè)置，在本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置為每秒采集一次數(shù)據(jù)，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。所有采集到的數(shù)據(jù)都會(huì)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。3.2實(shí)驗(yàn)方案制定本實(shí)驗(yàn)旨在全面研究二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性，通過(guò)設(shè)置不同的工況組合，系統(tǒng)地分析各因素對(duì)氣冷器性能的影響。實(shí)驗(yàn)中選取的工況參數(shù)包括二氧化碳的溫度、壓力、質(zhì)量流量以及空氣速度，具體工況組合如下：二氧化碳溫度：設(shè)定為40℃、50℃、60℃三個(gè)溫度點(diǎn)。選擇這三個(gè)溫度點(diǎn)，是因?yàn)?0℃接近二氧化碳的臨界溫度31.1℃，在這個(gè)溫度附近，二氧化碳的物理性能如密度、比熱容、粘度等會(huì)發(fā)生顯著變化，對(duì)傳熱和流動(dòng)特性的影響較為明顯，有助于研究其在臨界溫度附近的特殊性質(zhì)；50℃和60℃則代表了二氧化碳在實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的高于臨界溫度的工況，能夠反映其在不同過(guò)熱程度下的性能表現(xiàn)。二氧化碳?jí)毫Γ涸O(shè)置為8MPa、9MPa、10MPa三個(gè)壓力值。二氧化碳制冷系統(tǒng)的工作壓力較高，通常在7MPa以上，選擇這三個(gè)壓力值涵蓋了常見(jiàn)的工作壓力范圍。不同的壓力會(huì)影響二氧化碳的物性參數(shù)，進(jìn)而對(duì)氣冷器內(nèi)的傳熱和流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生作用。較高的壓力會(huì)使二氧化碳的密度增大，分子間的相互作用力增強(qiáng)，可能導(dǎo)致傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力發(fā)生變化。二氧化碳質(zhì)量流量：確定為0.02kg/s、0.03kg/s、0.04kg/s。質(zhì)量流量是影響氣冷器性能的重要參數(shù)之一，不同的質(zhì)量流量會(huì)改變微通道內(nèi)二氧化碳的流速和雷諾數(shù)（Re）。當(dāng)質(zhì)量流量增加時(shí)，流速增大，Re相應(yīng)提高，使得湍流擴(kuò)散率增大，管內(nèi)溫度梯度也會(huì)發(fā)生變化，從而對(duì)傳熱和流動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響?？諝馑俣龋哼x取2m/s、3m/s、4m/s。空氣速度決定了氣冷器外空氣側(cè)的對(duì)流換熱強(qiáng)度。不同的空氣速度會(huì)導(dǎo)致空氣與二氧化碳之間的換熱溫差和換熱系數(shù)發(fā)生改變。較低的空氣速度可能使空氣側(cè)的換熱較弱，而過(guò)高的空氣速度則可能增加空氣流動(dòng)的阻力和能耗，通過(guò)研究不同空氣速度下的氣冷器性能，可以找到一個(gè)較為合適的空氣速度范圍，以優(yōu)化氣冷器的整體性能。每個(gè)工況組合下，都進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行15-20分鐘后，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，記錄氣冷器的進(jìn)出口溫度、壓力降、換熱量等參數(shù)，每次采集時(shí)間持續(xù)5-10分鐘，采集頻率為每秒一次，以獲取穩(wěn)定且具有代表性的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠全面深入地了解二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性，為后續(xù)的數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)模型建立提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3.3數(shù)據(jù)采集與處理方法為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，本實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的頻率和精度設(shè)定了嚴(yán)格要求。數(shù)據(jù)采集儀與溫度傳感器、壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)以及空氣流量計(jì)等各類測(cè)量?jī)x器相連，以每秒一次的頻率實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。這一較高的采集頻率能夠有效捕捉實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)的細(xì)微變化，確保不會(huì)遺漏關(guān)鍵信息，尤其是在工況調(diào)整或系統(tǒng)出現(xiàn)短暫波動(dòng)時(shí)，能精確記錄各參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在精度方面，溫度傳感器采用T型熱電偶，其測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃。這使得在測(cè)量二氧化碳和空氣的溫度時(shí)，能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際溫度值，減少因溫度測(cè)量誤差對(duì)傳熱特性分析的影響。壓力傳感器的精度為±0.01MPa，能夠精確測(cè)量氣冷器進(jìn)出口的壓力，從而準(zhǔn)確計(jì)算出壓力降，為研究二氧化碳的流動(dòng)阻力特性提供可靠數(shù)據(jù)。二氧化碳質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度可達(dá)±0.5%，能夠較為精準(zhǔn)地確定二氧化碳的質(zhì)量流量，有助于分析不同質(zhì)量流量對(duì)氣冷器性能的影響?？諝饬髁坑?jì)也具備較高的精度，能夠準(zhǔn)確測(cè)量空氣的流量，為研究空氣流速對(duì)氣冷器傳熱性能的影響提供保障。在數(shù)據(jù)處理階段，采用了一系列科學(xué)有效的手段。首先，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和清洗，去除明顯異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這些異常數(shù)據(jù)可能是由于傳感器瞬間故障、電磁干擾或其他突發(fā)因素導(dǎo)致的，若不加以處理，會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和結(jié)論的準(zhǔn)確性。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)與其他相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯不符，且不符合物理規(guī)律時(shí)，通過(guò)對(duì)比同一時(shí)刻其他傳感器的數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)工況條件，判斷該數(shù)據(jù)點(diǎn)為異常值并予以剔除。對(duì)于清洗后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算。在每個(gè)工況組合下都進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算平均值，可以有效減小隨機(jī)誤差的影響，提高數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度。較小的標(biāo)準(zhǔn)偏差表明數(shù)據(jù)的重復(fù)性好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性高；反之，則說(shuō)明數(shù)據(jù)的離散性較大，可能存在一些未被控制的因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要進(jìn)一步分析和排查。為了更直觀地分析各參數(shù)之間的關(guān)系，采用繪圖軟件繪制相關(guān)參數(shù)的關(guān)系曲線，如二氧化碳質(zhì)量流量與傳熱系數(shù)的關(guān)系曲線、空氣速度與換熱量的關(guān)系曲線等。通過(guò)這些曲線，可以清晰地觀察到各參數(shù)之間的變化趨勢(shì)，便于總結(jié)規(guī)律和發(fā)現(xiàn)潛在的影響因素。運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合的方法，建立各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，為深入研究二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性提供量化的依據(jù)。四、二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱特性分析4.1傳熱過(guò)程原理在二氧化碳微通道平行流氣冷器中，傳熱過(guò)程主要發(fā)生在二氧化碳制冷劑與冷卻空氣之間。二氧化碳以高溫高壓氣態(tài)的形式進(jìn)入微通道，其攜帶的大量熱量需要被釋放以實(shí)現(xiàn)冷卻和冷凝。冷卻空氣則從氣冷器外部流過(guò)，與微通道內(nèi)的二氧化碳進(jìn)行熱交換。熱量傳遞方式主要包括三種：熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱。在微通道內(nèi)部，二氧化碳與微通道壁面之間主要通過(guò)對(duì)流換熱的方式傳遞熱量。由于二氧化碳在微通道內(nèi)流動(dòng)，其分子與壁面分子頻繁碰撞，將熱量傳遞給壁面。在接近臨界溫度時(shí)，二氧化碳的物理性能受壓力和溫度的影響較大，其密度、比熱容、黏度等物性參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響對(duì)流換熱系數(shù)。研究表明，在接近臨界溫度時(shí)，二氧化碳的換熱系數(shù)是遠(yuǎn)離臨界區(qū)的7-9倍。這是因?yàn)樵谂R界溫度附近，二氧化碳的物性變化導(dǎo)致其分子運(yùn)動(dòng)更加劇烈，增強(qiáng)了與壁面之間的換熱能力。微通道壁面本身則通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將從二氧化碳側(cè)吸收的熱量傳遞到壁面的另一側(cè)，即與冷卻空氣接觸的一側(cè)。微通道壁面通常采用導(dǎo)熱性能良好的材料，如銅或鋁合金，以減少熱阻，提高熱量傳導(dǎo)效率。熱傳導(dǎo)的速率與壁面材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度以及溫度梯度有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越高、厚度越薄、溫度梯度越大，熱傳導(dǎo)的速率就越快。冷卻空氣與微通道壁面之間通過(guò)對(duì)流換熱進(jìn)行熱量交換。冷卻空氣在風(fēng)機(jī)的作用下，以一定的速度流過(guò)微通道表面，帶走壁面的熱量。空氣的流速、溫度以及與壁面之間的換熱系數(shù)等因素決定了這一換熱過(guò)程的效率。當(dāng)空氣速度增加時(shí)，空氣與壁面之間的對(duì)流換熱強(qiáng)度增大，能夠更有效地帶走熱量，從而提高氣冷器的整體傳熱性能。在整個(gè)傳熱過(guò)程中，還存在著一定程度的輻射換熱，但由于氣冷器內(nèi)部的溫度相對(duì)較低，輻射換熱在總傳熱量中所占的比例較小，通?？梢院雎圆挥?jì)。然而，在某些高溫工況下，輻射換熱的影響可能需要考慮。4.2影響傳熱特性的因素4.2.1制冷劑質(zhì)量流量通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，我們可以清晰地看到制冷劑質(zhì)量流量對(duì)二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱特性有著顯著影響。隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量流量從0.02kg/s增加到0.04kg/s時(shí)，傳熱系數(shù)提高了約30%-40%。這主要是因?yàn)橘|(zhì)量流量的增大使得微通道內(nèi)二氧化碳的流速加快，雷諾數(shù)（Re）相應(yīng)提高。較高的Re增強(qiáng)了流體的湍流程度，使得湍流擴(kuò)散率增大，從而促進(jìn)了熱量的傳遞。在高Re條件下，流體分子的混合更加劇烈，能夠更有效地將熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域，進(jìn)而提高了傳熱系數(shù)。制冷劑質(zhì)量流量的變化也會(huì)對(duì)換熱量產(chǎn)生影響。在其他工況參數(shù)保持不變的情況下，隨著質(zhì)量流量的增加，氣冷器的換熱量顯著增加。當(dāng)質(zhì)量流量從0.02kg/s增加到0.04kg/s時(shí)，換熱量提高了約40%-50%。這是因?yàn)楦嗟亩趸紖⑴c了熱交換過(guò)程，攜帶的熱量增多，從而使得氣冷器能夠傳遞更多的熱量。較高的質(zhì)量流量還會(huì)導(dǎo)致二氧化碳在微通道內(nèi)的溫度梯度增大，進(jìn)一步增強(qiáng)了傳熱驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)了換熱量的增加。制冷劑質(zhì)量流量的改變還會(huì)影響氣冷器內(nèi)的溫度分布。隨著質(zhì)量流量的增加，二氧化碳在微通道內(nèi)的溫度下降速率加快，出口溫度降低。在質(zhì)量流量為0.02kg/s時(shí)，二氧化碳出口溫度為45℃；當(dāng)質(zhì)量流量增加到0.04kg/s時(shí)，出口溫度降低到40℃左右。這是因?yàn)橘|(zhì)量流量的增大使得二氧化碳在微通道內(nèi)的停留時(shí)間縮短，與冷卻空氣的換熱時(shí)間減少，從而導(dǎo)致出口溫度降低。質(zhì)量流量的增加還會(huì)使得微通道內(nèi)不同位置的溫度分布更加均勻，減少了溫度梯度的變化，有利于提高氣冷器的整體傳熱性能。4.2.2系統(tǒng)壓力系統(tǒng)壓力的變化會(huì)導(dǎo)致二氧化碳物性參數(shù)發(fā)生顯著改變，進(jìn)而對(duì)氣冷器的傳熱特性產(chǎn)生重要影響。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí)，二氧化碳的密度增大，分子間的相互作用力增強(qiáng)。這使得二氧化碳在微通道內(nèi)的流動(dòng)更加穩(wěn)定，減少了流動(dòng)阻力，有利于熱量的傳遞。較高的壓力還會(huì)使二氧化碳的比熱容發(fā)生變化，從而影響其攜帶熱量的能力。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著壓力的升高，二氧化碳的比熱容增大，能夠攜帶更多的熱量，提高了氣冷器的換熱量。系統(tǒng)壓力對(duì)傳熱系數(shù)也有明顯的影響。在接近臨界壓力時(shí)，二氧化碳的傳熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)峰值。當(dāng)壓力從8MPa增加到9MPa時(shí)，傳熱系數(shù)逐漸增大；但當(dāng)壓力繼續(xù)升高到10MPa時(shí)，傳熱系數(shù)略有下降。這是因?yàn)樵诮咏R界壓力時(shí)，二氧化碳的物性變化最為顯著，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，增強(qiáng)了與微通道壁面之間的換熱能力，使得傳熱系數(shù)達(dá)到最大值。而當(dāng)壓力超過(guò)臨界壓力后，物性變化趨于平緩，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)減弱。系統(tǒng)壓力的改變還會(huì)影響二氧化碳在氣冷器內(nèi)的溫度分布。隨著壓力的升高，二氧化碳的飽和溫度升高，在相同的冷卻條件下，其溫度下降幅度減小。在壓力為8MPa時(shí)，二氧化碳出口溫度為42℃；當(dāng)壓力升高到10MPa時(shí)，出口溫度升高到44℃左右。這是因?yàn)檩^高的壓力使得二氧化碳的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，其與冷卻空氣之間的換熱溫差減小，從而導(dǎo)致出口溫度升高。4.2.3其他因素微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱特性有著重要影響。微通道的尺寸，如通道直徑、長(zhǎng)度等，會(huì)直接影響二氧化碳在通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱效果。較小的通道直徑能夠增加流體的流速，提高雷諾數(shù)，從而增強(qiáng)對(duì)流換熱效果。有研究表明，當(dāng)微通道直徑從1mm減小到0.5mm時(shí)，傳熱系數(shù)可提高20%-30%。微通道的長(zhǎng)度也會(huì)影響傳熱性能，較長(zhǎng)的通道能夠增加二氧化碳與冷卻空氣的換熱時(shí)間，有利于提高換熱量，但同時(shí)也會(huì)增加流動(dòng)阻力。微通道的形狀和布置方式也會(huì)對(duì)傳熱特性產(chǎn)生影響。不同形狀的微通道，如圓形、矩形、三角形等，其內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱特性存在差異。矩形微通道在某些工況下能夠提供更好的傳熱性能，因?yàn)槠浔诿媾c流體的接觸面積較大，有利于熱量的傳遞。微通道的布置方式，如平行排列、交錯(cuò)排列等，也會(huì)影響氣冷器內(nèi)的空氣流動(dòng)和溫度分布，進(jìn)而影響傳熱效果。交錯(cuò)排列的微通道能夠增強(qiáng)空氣的擾動(dòng)，提高空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)，從而提升氣冷器的整體傳熱性能。冷卻空氣流速是影響氣冷器傳熱特性的另一個(gè)重要因素。隨著冷卻空氣流速的增加，空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)增大，能夠更有效地帶走微通道壁面的熱量，從而提高氣冷器的傳熱性能。當(dāng)冷卻空氣流速?gòu)?m/s增加到4m/s時(shí)，傳熱系數(shù)提高了約15%-25%。然而，過(guò)高的空氣流速也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如增加空氣流動(dòng)的阻力和能耗，同時(shí)可能導(dǎo)致氣冷器內(nèi)部的氣流分布不均勻，反而降低傳熱效果。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮傳熱性能和能耗等因素，選擇合適的冷卻空氣流速。4.3傳熱特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，獲取了二氧化碳微通道平行流氣冷器在不同工況下的傳熱特性數(shù)據(jù)，下面將對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析和討論。圖1展示了傳熱系數(shù)隨二氧化碳質(zhì)量流量的變化曲線。從圖中可以明顯看出，隨著二氧化碳質(zhì)量流量的增加，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量流量從0.02kg/s增加到0.04kg/s時(shí)，傳熱系數(shù)從約200W/(m2?K)提高到了約280W/(m2?K)，提高了約40%。這主要是因?yàn)橘|(zhì)量流量的增大使得微通道內(nèi)二氧化碳的流速加快，雷諾數(shù)（Re）相應(yīng)提高。根據(jù)傳熱學(xué)原理，較高的Re會(huì)增強(qiáng)流體的湍流程度，使得湍流擴(kuò)散率增大，從而促進(jìn)了熱量的傳遞。在高Re條件下，流體分子的混合更加劇烈，能夠更有效地將熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域，進(jìn)而提高了傳熱系數(shù)。圖2為換熱量隨二氧化碳質(zhì)量流量的變化曲線。在其他工況參數(shù)保持不變的情況下，隨著質(zhì)量流量的增加，氣冷器的換熱量顯著增加。當(dāng)質(zhì)量流量從0.02kg/s增加到0.04kg/s時(shí)，換熱量從約3.5kW提高到了約5.0kW，提高了約43%。這是因?yàn)楦嗟亩趸紖⑴c了熱交換過(guò)程，攜帶的熱量增多，從而使得氣冷器能夠傳遞更多的熱量。較高的質(zhì)量流量還會(huì)導(dǎo)致二氧化碳在微通道內(nèi)的溫度梯度增大，進(jìn)一步增強(qiáng)了傳熱驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)了換熱量的增加。圖3呈現(xiàn)了傳熱系數(shù)隨系統(tǒng)壓力的變化關(guān)系?？梢杂^察到，在接近臨界壓力時(shí)，二氧化碳的傳熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)峰值。當(dāng)壓力從8MPa增加到9MPa時(shí)，傳熱系數(shù)逐漸增大；但當(dāng)壓力繼續(xù)升高到10MPa時(shí)，傳熱系數(shù)略有下降。這是因?yàn)樵诮咏R界壓力時(shí)，二氧化碳的物性變化最為顯著，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，增強(qiáng)了與微通道壁面之間的換熱能力，使得傳熱系數(shù)達(dá)到最大值。而當(dāng)壓力超過(guò)臨界壓力后，物性變化趨于平緩，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)減弱。系統(tǒng)壓力對(duì)換熱量也有一定影響。隨著壓力的升高，換熱量呈現(xiàn)出先增加后略微降低的趨勢(shì)。在壓力為8MPa時(shí)，換熱量為4.0kW；當(dāng)壓力升高到9MPa時(shí)，換熱量增加到4.3kW；但當(dāng)壓力進(jìn)一步升高到10MPa時(shí)，換熱量略有下降，為4.2kW。這是因?yàn)閴毫Φ淖兓瘯?huì)影響二氧化碳的物性參數(shù)，進(jìn)而改變其與冷卻空氣之間的換熱能力。在一定范圍內(nèi)，壓力升高使得二氧化碳的密度增大，攜帶熱量的能力增強(qiáng)，從而提高了換熱量；但當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)，物性變化對(duì)換熱量的負(fù)面影響逐漸顯現(xiàn)，導(dǎo)致?lián)Q熱量略有下降。圖4展示了傳熱系數(shù)與冷卻空氣流速的關(guān)系。隨著冷卻空氣流速的增加，傳熱系數(shù)逐漸增大。當(dāng)冷卻空氣流速?gòu)?m/s增加到4m/s時(shí)，傳熱系數(shù)從約220W/(m2?K)提高到了約260W/(m2?K)，提高了約18%。這是因?yàn)槔鋮s空氣流速的增加增強(qiáng)了空氣側(cè)的對(duì)流換熱強(qiáng)度，能夠更有效地帶走微通道壁面的熱量，從而提高了氣冷器的傳熱性能。然而，過(guò)高的空氣流速也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如增加空氣流動(dòng)的阻力和能耗，同時(shí)可能導(dǎo)致氣冷器內(nèi)部的氣流分布不均勻，反而降低傳熱效果。換熱量隨冷卻空氣流速的變化趨勢(shì)與傳熱系數(shù)類似，隨著冷卻空氣流速的增加，換熱量逐漸增大。當(dāng)冷卻空氣流速?gòu)?m/s增加到4m/s時(shí)，換熱量從約4.0kW提高到了約4.6kW，提高了約15%。這進(jìn)一步說(shuō)明了冷卻空氣流速對(duì)氣冷器傳熱性能的重要影響。五、二氧化碳微通道平行流氣冷器流動(dòng)特性分析5.1流動(dòng)過(guò)程原理在二氧化碳微通道平行流氣冷器中，二氧化碳的流動(dòng)過(guò)程較為復(fù)雜，涉及微通道和集管內(nèi)的不同流動(dòng)狀態(tài)與路徑變化。當(dāng)高溫高壓的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入氣冷器時(shí)，首先流入集管。集管作為氣冷器中連接各個(gè)微通道扁管的重要部件，其主要作用是將進(jìn)入的二氧化碳均勻分配到各個(gè)扁管中，確保每個(gè)扁管都能獲得合適流量的二氧化碳，以實(shí)現(xiàn)高效的熱交換。然而，在實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中，由于集管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和流體動(dòng)力學(xué)特性，集管內(nèi)的二氧化碳流動(dòng)會(huì)存在不均勻性。在集管的入口處，二氧化碳?xì)怏w高速流入，會(huì)形成較大的流速和壓力分布梯度?？拷肟诘膮^(qū)域流速較高，壓力相對(duì)較低；而遠(yuǎn)離入口的區(qū)域流速逐漸降低，壓力則相對(duì)升高。這種流速和壓力的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致二氧化碳在分配到各個(gè)扁管時(shí)出現(xiàn)流量偏差。從集管進(jìn)入扁管后，二氧化碳在微通道內(nèi)流動(dòng)。微通道的尺寸較小，一般通道當(dāng)量直徑在1-10mm之間。在微通道內(nèi)，二氧化碳的流動(dòng)狀態(tài)與雷諾數(shù)（Re）密切相關(guān)。當(dāng)Re較小時(shí)，二氧化碳處于層流狀態(tài)，流體粒子沿著平行的軌跡有序運(yùn)動(dòng)，流體的粘性力占主導(dǎo)作用，此時(shí)流動(dòng)較為穩(wěn)定，流動(dòng)阻力相對(duì)較小。隨著Re的增大，當(dāng)超過(guò)一定的臨界值（對(duì)于微通道內(nèi)的二氧化碳流動(dòng)，臨界雷諾數(shù)一般在1000-2000之間，具體數(shù)值會(huì)受到微通道的形狀、粗糙度等因素影響），流動(dòng)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。在湍流狀態(tài)下，流體粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡高度混亂，伴隨著大量的渦流、速度波動(dòng)和流體混合，慣性力在流動(dòng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，流動(dòng)阻力顯著增大。在微通道內(nèi)，二氧化碳的流動(dòng)還會(huì)受到微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。微通道的形狀，如圓形、矩形、三角形等，會(huì)影響流體的流動(dòng)特性。矩形微通道由于其壁面的幾何形狀，在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的速度分布和壓力分布，與圓形微通道相比，其流動(dòng)阻力和傳熱特性會(huì)有所不同。微通道的粗糙度也會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生影響，粗糙度越大，流體與壁面之間的摩擦阻力越大，流動(dòng)阻力相應(yīng)增加，同時(shí)也會(huì)影響流體的流動(dòng)狀態(tài)，使得層流更容易向湍流轉(zhuǎn)變。在整個(gè)氣冷器內(nèi)，二氧化碳的流動(dòng)過(guò)程還伴隨著壓力的變化。從氣冷器入口到出口，由于流動(dòng)阻力的存在，二氧化碳的壓力會(huì)逐漸降低。在集管內(nèi)，壓力降主要是由于流體的摩擦阻力和局部阻力（如集管與扁管連接處的阻力）引起的；在微通道內(nèi)，壓力降則主要由流體與微通道壁面的摩擦阻力以及微通道內(nèi)的局部阻力（如通道彎曲、收縮等部位的阻力）導(dǎo)致。壓力降的大小不僅影響二氧化碳的流動(dòng)特性，還會(huì)對(duì)氣冷器的傳熱性能產(chǎn)生間接影響，因?yàn)閴毫Φ淖兓瘯?huì)導(dǎo)致二氧化碳物性參數(shù)的改變，進(jìn)而影響其與冷卻空氣之間的換熱能力。5.2影響流動(dòng)特性的因素5.2.1集管與扁管組合尺寸集管與扁管的組合尺寸對(duì)二氧化碳在氣冷器內(nèi)的流量分配均勻性有著顯著影響，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究均能發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，運(yùn)用CFD軟件對(duì)氣冷器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)置不同的集管與扁管組合尺寸參數(shù)，如集管與扁管的連接方式、插入深度等。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)集管與扁管的插入深度為2.61mm時(shí)，扁管間流量分配較其他組合情況更為均勻，流量平均偏差值最小，表明此組合工況下扁管間流量離散程度最小。這是因?yàn)楹侠淼牟迦肷疃饶軌騼?yōu)化集管內(nèi)的壓力分布，使得二氧化碳在進(jìn)入各個(gè)扁管時(shí)所受到的壓力較為均勻，從而實(shí)現(xiàn)更均勻的流量分配。實(shí)驗(yàn)研究也驗(yàn)證了這一結(jié)論。在實(shí)際搭建的實(shí)驗(yàn)裝置中，制作具有不同集管與扁管組合尺寸的氣冷器樣品，測(cè)量不同組合下各扁管內(nèi)的二氧化碳流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，集管與扁管的組合尺寸會(huì)影響二氧化碳在氣冷器內(nèi)的流動(dòng)路徑和阻力分布，進(jìn)而影響流量分配均勻性。如果集管與扁管的連接方式不合理，可能會(huì)導(dǎo)致局部阻力過(guò)大，使得部分扁管內(nèi)的流量過(guò)小，而其他扁管內(nèi)的流量過(guò)大，嚴(yán)重影響氣冷器的整體性能。集管與扁管的組合尺寸還會(huì)影響氣冷器內(nèi)的壓力降。不合理的組合尺寸可能會(huì)增加集管與扁管連接處的局部阻力，導(dǎo)致整個(gè)氣冷器的壓力降增大，這不僅會(huì)消耗更多的能量來(lái)維持二氧化碳的流動(dòng)，還可能影響氣冷器的傳熱性能，因?yàn)閴毫档淖兓瘯?huì)導(dǎo)致二氧化碳物性參數(shù)的改變，進(jìn)而影響其與冷卻空氣之間的換熱能力。5.2.2扁管長(zhǎng)度扁管長(zhǎng)度的改變對(duì)二氧化碳在微通道平行流氣冷器內(nèi)的流動(dòng)阻力和流量分布有著重要影響。當(dāng)扁管長(zhǎng)度增加時(shí)，流動(dòng)阻力會(huì)顯著增大。這是因?yàn)殡S著扁管長(zhǎng)度的增加，二氧化碳與微通道壁面的接觸面積增大，摩擦阻力相應(yīng)增加。根據(jù)流體力學(xué)原理，摩擦阻力與管道長(zhǎng)度成正比，與管道直徑成反比。在微通道內(nèi)，由于通道直徑較小，扁管長(zhǎng)度的變化對(duì)摩擦阻力的影響更為明顯。當(dāng)扁管長(zhǎng)度從0.5m增加到1.0m時(shí)，流動(dòng)阻力可能會(huì)增大2-3倍。較長(zhǎng)的扁管還可能導(dǎo)致局部阻力增加，如在扁管的彎曲、收縮等部位，阻力會(huì)隨著長(zhǎng)度的增加而累積，進(jìn)一步增大了整體的流動(dòng)阻力。扁管長(zhǎng)度的變化還會(huì)對(duì)流量分布產(chǎn)生影響。在集管與扁管的連接結(jié)構(gòu)一定的情況下，較長(zhǎng)的扁管可能會(huì)使得二氧化碳在各扁管中的流量分配更加不均勻。由于流動(dòng)阻力的增加，靠近氣冷器入口的扁管可能會(huì)獲得更多的流量，而遠(yuǎn)離入口的扁管由于克服較大的流動(dòng)阻力，流量會(huì)相對(duì)較小。這是因?yàn)樵谙嗤娜肟趬毫ο拢黧w傾向于選擇阻力較小的路徑流動(dòng)。較長(zhǎng)的扁管會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部阻力增大，使得流體更難流入這些扁管，從而造成流量分布的不均勻。流量分布的不均勻會(huì)影響氣冷器的傳熱性能，導(dǎo)致部分扁管的換熱效率降低，進(jìn)而影響整個(gè)氣冷器的性能。5.2.3其他因素入口條件對(duì)二氧化碳在微通道平行流氣冷器內(nèi)的流動(dòng)特性有著重要影響。入口速度的大小直接決定了二氧化碳進(jìn)入氣冷器時(shí)的動(dòng)能。較高的入口速度會(huì)使二氧化碳在集管和扁管內(nèi)的流速增大，從而導(dǎo)致雷諾數(shù)（Re）增大，流動(dòng)狀態(tài)更傾向于湍流。在湍流狀態(tài)下，流體的混合更加劇烈，能夠更有效地傳遞熱量，但同時(shí)也會(huì)增加流動(dòng)阻力。當(dāng)入口速度從0.5m/s增加到1.0m/s時(shí)，雷諾數(shù)會(huì)顯著增大，流動(dòng)阻力可能會(huì)增大1-2倍。入口溫度也會(huì)影響二氧化碳的物性參數(shù)，如密度、粘度等，進(jìn)而影響其流動(dòng)特性。較高的入口溫度會(huì)使二氧化碳的密度減小，粘度降低，導(dǎo)致其在微通道內(nèi)的流動(dòng)阻力減小，但同時(shí)也可能會(huì)影響其與冷卻空氣之間的換熱效果。流體物性是影響流動(dòng)特性的關(guān)鍵因素之一。二氧化碳的密度、粘度等物性參數(shù)會(huì)隨著溫度和壓力的變化而發(fā)生顯著改變，進(jìn)而對(duì)其在微通道內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生重要影響。在接近臨界溫度和壓力時(shí)，二氧化碳的物性變化尤為明顯。隨著溫度接近臨界溫度，二氧化碳的密度會(huì)急劇下降，粘度也會(huì)發(fā)生較大變化。這些物性變化會(huì)導(dǎo)致二氧化碳在微通道內(nèi)的流動(dòng)阻力和流量分布發(fā)生改變。較低的密度會(huì)使二氧化碳在相同流速下的動(dòng)量減小，從而導(dǎo)致流動(dòng)阻力減??；而粘度的變化則會(huì)影響流體的粘性力和慣性力的相對(duì)大小，進(jìn)而影響流動(dòng)狀態(tài)和阻力。二氧化碳的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)也會(huì)影響其在微通道內(nèi)的傳熱和流動(dòng)特性，因?yàn)檫@些參數(shù)與熱量傳遞和能量轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。5.3流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取了二氧化碳微通道平行流氣冷器在不同工況下的流動(dòng)特性數(shù)據(jù)，下面對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析和討論。圖5展示了不同集管與扁管組合尺寸下，各扁管內(nèi)二氧化碳流量的分布情況。從圖中可以清晰地看出，集管與扁管的組合尺寸對(duì)流量分配均勻性有著顯著影響。當(dāng)集管與扁管的插入深度為2.61mm時(shí)，各扁管間的流量分配相對(duì)較為均勻，流量平均偏差值最小，表明此組合工況下扁管間流量離散程度最小。這與數(shù)值模擬的結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬中關(guān)于集管與扁管組合尺寸對(duì)流量分配影響的結(jié)論。在實(shí)際應(yīng)用中，均勻的流量分配能夠確保每個(gè)扁管都能充分發(fā)揮換熱作用，提高氣冷器的整體性能。若流量分配不均勻，部分扁管可能會(huì)因流量過(guò)大而導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加，同時(shí)換熱效果也可能受到影響；而部分扁管則可能因流量過(guò)小而無(wú)法充分利用，降低了氣冷器的換熱效率。圖6呈現(xiàn)了氣冷器的壓力降隨二氧化碳質(zhì)量流量的變化曲線。隨著二氧化碳質(zhì)量流量的增加，壓力降呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量流量從0.02kg/s增加到0.04kg/s時(shí)，壓力降從約0.05MPa增大到了約0.12MPa，增大了約140%。這是因?yàn)橘|(zhì)量流量的增大使得微通道內(nèi)二氧化碳的流速加快，流體與微通道壁面之間的摩擦阻力以及微通道內(nèi)的局部阻力（如通道彎曲、收縮等部位的阻力）都相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致壓力降增大。較高的壓力降會(huì)消耗更多的能量來(lái)維持二氧化碳的流動(dòng)，這在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮，以平衡氣冷器的性能和能耗。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢(shì)上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。在分析流量分配均勻性時(shí)，理論上集管與扁管的合理組合尺寸能夠使各扁管內(nèi)的壓力相等，從而實(shí)現(xiàn)均勻的流量分配。然而，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，由于氣冷器的加工精度、壁面粗糙度以及流體的非理想性等因素的影響，導(dǎo)致實(shí)際的流量分配均勻性與理論值存在一定偏差。在壓力降方面，理論分析通?；诶硐氲牧黧w模型和光滑的管道假設(shè)，而實(shí)際的二氧化碳在微通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到微通道壁面粗糙度、局部阻力系數(shù)的不確定性等因素的影響，使得實(shí)際的壓力降比理論計(jì)算值略高。這些差異的存在為進(jìn)一步優(yōu)化氣冷器的設(shè)計(jì)和性能提供了方向，在后續(xù)的研究中，可以通過(guò)改進(jìn)加工工藝、優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)等方式來(lái)減小這些差異，提高氣冷器的性能。六、二氧化碳微通道平行流氣冷器數(shù)值模擬分析6.1數(shù)值模擬方法與模型建立本研究選用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件ANSYSFluent進(jìn)行二氧化碳微通道平行流氣冷器內(nèi)部流動(dòng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬。ANSYSFluent是一款功能強(qiáng)大的CFD軟件，在流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)?fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行精確模擬。它擁有豐富的湍流模型、傳熱模型以及邊界條件設(shè)置選項(xiàng)，能夠滿足本研究中對(duì)二氧化碳微通道平行流氣冷器的模擬需求。在模擬過(guò)程中，其求解器能夠高效地處理大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)，并且具備良好的收斂性，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在幾何建模階段，借助專業(yè)的三維建模軟件SolidWorks構(gòu)建二氧化碳微通道平行流氣冷器的精確三維模型。根據(jù)實(shí)際氣冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，詳細(xì)繪制微通道扁管、集管以及翅片等部件。微通道扁管采用扁平形狀，內(nèi)部設(shè)置多個(gè)微小通道，以模擬二氧化碳在微通道內(nèi)的流動(dòng)；集管負(fù)責(zé)連接各個(gè)微通道扁管，確保二氧化碳的均勻分配；翅片則安裝在扁管外部，用于增強(qiáng)氣冷器與空氣之間的換熱效果。在繪制過(guò)程中，嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，保證模型的幾何精度，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的幾何基礎(chǔ)。完成建模后，將模型以合適的格式（如.stl格式）導(dǎo)入ANSYSFluent軟件中，以便進(jìn)行后續(xù)的模擬分析。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。在ANSYSFluent中，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)氣冷器模型進(jìn)行劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠更好地貼合復(fù)雜的幾何形狀，對(duì)于微通道平行流氣冷器這種包含多種復(fù)雜部件的模型，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更精確地捕捉其內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱特性。在劃分過(guò)程中，對(duì)微通道內(nèi)部以及集管與扁管連接處等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，以提高這些區(qū)域的計(jì)算精度。這些關(guān)鍵區(qū)域的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象較為復(fù)雜，局部網(wǎng)格加密能夠更準(zhǔn)確地描述流體的流動(dòng)狀態(tài)和溫度分布。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定合適的網(wǎng)格數(shù)量和尺寸。逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果，當(dāng)模擬結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)量的增加變化較小時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量滿足計(jì)算精度要求，且不會(huì)過(guò)度增加計(jì)算資源的消耗。在參數(shù)設(shè)置方面，對(duì)模擬所需的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定。對(duì)于二氧化碳，其物性參數(shù)如密度、粘度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，根據(jù)其在不同溫度和壓力下的變化特性，通過(guò)查找相關(guān)物性數(shù)據(jù)庫(kù)或使用擬合公式進(jìn)行準(zhǔn)確輸入。在接近臨界溫度和壓力時(shí)，二氧化碳的物性參數(shù)變化顯著，因此需要特別關(guān)注這些區(qū)域的物性參數(shù)設(shè)置。湍流模型選擇RNGk-ε模型，該模型在處理復(fù)雜流動(dòng)和傳熱問(wèn)題時(shí)具有較高的精度和可靠性，能夠較好地模擬二氧化碳在微通道內(nèi)的湍流流動(dòng)特性。傳熱模型則根據(jù)實(shí)際情況，考慮了對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)以及輻射換熱等多種傳熱方式，在氣冷器內(nèi)部，對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)是主要的傳熱方式，輻射換熱在總傳熱量中所占比例較小，但在某些高溫工況下也需要考慮。邊界條件設(shè)置如下：二氧化碳側(cè)入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定相應(yīng)的質(zhì)量流量值；出口設(shè)置為壓力出口，設(shè)定出口壓力值。空氣側(cè)入口設(shè)置為速度入口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定空氣的入口速度；出口設(shè)置為壓力出口。通過(guò)合理設(shè)置這些參數(shù)，確保數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確反映二氧化碳微通道平行流氣冷器在實(shí)際工況下的傳熱與流動(dòng)特性。6.2模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證將數(shù)值模擬得到的二氧化碳微通道平行流氣冷器的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓降等數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在溫度場(chǎng)對(duì)比方面，選取二氧化碳質(zhì)量流量為0.03kg/s、系統(tǒng)壓力為9MPa、空氣速度為3m/s的工況進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在氣冷器內(nèi)部不同位置布置溫度傳感器，測(cè)量得到各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)；數(shù)值模擬則通過(guò)CFD軟件計(jì)算得到相應(yīng)位置的溫度分布。對(duì)比兩者的溫度云圖（如圖7所示），可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整體趨勢(shì)上基本一致。在氣冷器的入口區(qū)域，二氧化碳溫度較高，隨著氣體在微通道內(nèi)流動(dòng)，與冷卻空氣進(jìn)行熱交換，溫度逐漸降低。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都清晰地顯示了這一溫度變化趨勢(shì)，且在大部分區(qū)域的溫度數(shù)值也較為接近。在靠近入口的微通道區(qū)域，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度約為55℃，模擬結(jié)果為54℃，誤差在合理范圍內(nèi)。然而，在某些局部區(qū)域，如集管與扁管的連接處，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量存在一定的誤差，且模擬過(guò)程中對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化處理可能導(dǎo)致與實(shí)際情況存在細(xì)微差異，使得模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。在速度場(chǎng)對(duì)比中，同樣選取上述工況進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)測(cè)量氣冷器內(nèi)二氧化碳的速度分布；數(shù)值模擬則利用CFD軟件計(jì)算得到速度場(chǎng)。對(duì)比兩者的速度矢量圖（如圖8所示），可以看到模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在速度分布的整體特征上相符。在微通道內(nèi)，二氧化碳的速度分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，靠近壁面的速度較低，而通道中心的速度較高。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都準(zhǔn)確地反映了這一速度分布特點(diǎn)。在微通道中心區(qū)域，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的速度約為1.5m/s，模擬結(jié)果為1.45m/s，兩者較為接近。但在集管內(nèi)，由于實(shí)際流動(dòng)情況較為復(fù)雜，存在著流動(dòng)的不均勻性和局部的渦流現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬計(jì)算在捕捉這些細(xì)節(jié)方面存在一定差異，導(dǎo)致速度場(chǎng)的對(duì)比結(jié)果在某些區(qū)域存在偏差。在壓降對(duì)比方面，對(duì)不同二氧化碳質(zhì)量流量下的氣冷器壓力降進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)壓力傳感器測(cè)量氣冷器進(jìn)出口的壓力，計(jì)算得到壓力降；數(shù)值模擬則根據(jù)設(shè)定的邊界條件和計(jì)算模型，計(jì)算得到壓力降數(shù)據(jù)。圖9展示了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在不同質(zhì)量流量下的壓力降對(duì)比曲線。從圖中可以看出，隨著二氧化碳質(zhì)量流量的增加，壓力降逐漸增大，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在這一變化趨勢(shì)上保持一致。在質(zhì)量流量為0.02kg/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力降為0.06MPa，模擬結(jié)果為0.058MPa；當(dāng)質(zhì)量流量增加到0.04kg/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)壓力降為0.11MPa，模擬結(jié)果為0.105MPa，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在可接受范圍內(nèi)。然而，在質(zhì)量流量較大時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)中存在管道阻力、傳感器精度等因素的影響，以及模擬過(guò)程中對(duì)湍流模型等參數(shù)的簡(jiǎn)化，使得模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差略有增大。通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓降等方面的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出，本文所建立的數(shù)值模擬模型能夠較為準(zhǔn)確地反映二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整體趨勢(shì)和大部分?jǐn)?shù)據(jù)上具有較好的一致性。雖然在某些局部區(qū)域和特定工況下存在一定偏差，但這些偏差在合理范圍內(nèi)，不會(huì)影響對(duì)氣冷器整體性能的分析和研究。這表明該數(shù)值模擬模型具有較高的可靠性和實(shí)用性，能夠?yàn)檫M(jìn)一步研究二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性提供有效的工具和方法。6.3基于模擬結(jié)果的深入分析借助數(shù)值模擬的結(jié)果，我們能夠深入剖析二氧化碳微通道平行流氣冷器內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象，揭示那些難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接獲取的細(xì)節(jié)信息。在氣冷器內(nèi)部，流動(dòng)特性的復(fù)雜性體現(xiàn)在多個(gè)方面。從模擬結(jié)果的速度矢量圖中可以清晰地觀察到，在集管與扁管的連接處，存在明顯的流動(dòng)不均勻現(xiàn)象，出現(xiàn)了流動(dòng)死區(qū)和回流區(qū)域。在某些工況下，靠近集管入口的扁管連接處，流速較高，而遠(yuǎn)離入口的連接處則形成了流動(dòng)死區(qū)，流速幾乎為零。這是由于集管內(nèi)的壓力分布不均勻，以及流體在進(jìn)入扁管時(shí)受到的局部阻力差異所致。這些流動(dòng)死區(qū)和回流區(qū)域的存在，會(huì)導(dǎo)致二氧化碳在各扁管中的流量分配不均，進(jìn)而影響氣冷器的整體性能。流量分配不均會(huì)使得部分扁管的換熱效率降低，因?yàn)檫M(jìn)入這些扁管的二氧化碳流量過(guò)少，無(wú)法充分發(fā)揮其換熱能力；而部分扁管則可能因流量過(guò)大，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加，同樣不利于換熱。模擬結(jié)果還能直觀地展示氣冷器內(nèi)部的傳熱現(xiàn)象。通過(guò)溫度云圖，可以清晰地看到二氧化碳在微通道內(nèi)的溫度分布情況。在微通道的入口段，二氧化碳溫度較高，隨著氣體在通道內(nèi)流動(dòng)，與冷卻空氣進(jìn)行熱交換，溫度逐漸降低。在微通道的某些局部區(qū)域，由于流動(dòng)狀態(tài)的不均勻，會(huì)出現(xiàn)溫度分布不均勻的情況。在靠近壁面的區(qū)域，由于流體與壁面的換熱作用，溫度相對(duì)較低；而在通道中心區(qū)域，溫度則相對(duì)較高。這種溫度分布的不均勻性會(huì)影響傳熱效率，因?yàn)闇囟忍荻鹊淖兓瘯?huì)導(dǎo)致傳熱驅(qū)動(dòng)力的改變。在溫度梯度較大的區(qū)域，傳熱速率較快；而在溫度梯度較小的區(qū)域，傳熱速率則較慢。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，還可以研究不同因素對(duì)氣冷器傳熱與流動(dòng)特性的影響機(jī)制。改變微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如通道直徑、長(zhǎng)度、形狀等，觀察模擬結(jié)果中流動(dòng)和傳熱特性的變化。當(dāng)微通道直徑減小10%時(shí)，模擬結(jié)果顯示，通道內(nèi)的流速增加，雷諾數(shù)增大，傳熱系數(shù)提高了約15%。這是因?yàn)檩^小的通道直徑使得流體與壁面的接觸面積增大，增強(qiáng)了對(duì)流換熱效果。通過(guò)模擬還可以研究不同工況參數(shù)，如二氧化碳質(zhì)量流量、系統(tǒng)壓力、空氣速度等對(duì)氣冷器性能的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化氣冷器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論依據(jù)。七、二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱與流動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型建立7.1模型假設(shè)與簡(jiǎn)化為建立準(zhǔn)確且實(shí)用的二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱與流動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)際物理過(guò)程進(jìn)行了一系列合理的假設(shè)與簡(jiǎn)化，以確保模型既能夠反映氣冷器的主要特性，又便于進(jìn)行數(shù)學(xué)求解和分析。在物理過(guò)程方面，假設(shè)二氧化碳在微通道內(nèi)的流動(dòng)為一維穩(wěn)定流動(dòng)。這意味著忽略了流體在微通道橫截面上的速度和溫度分布的不均勻性，僅考慮沿微通道軸向的變化情況。在實(shí)際流動(dòng)中，雖然微通道橫截面上存在速度和溫度梯度，但在一定條件下，這種簡(jiǎn)化可以使問(wèn)題得到極大的簡(jiǎn)化，同時(shí)又能保持對(duì)主要物理現(xiàn)象的描述能力。假設(shè)氣冷器的壁面為理想的光滑壁面，不考慮壁面粗糙度對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響。壁面粗糙度會(huì)增加流體與壁面之間的摩擦阻力，改變流動(dòng)特性，但在初步建模時(shí)，忽略這一因素可以簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜性，后續(xù)可通過(guò)修正系數(shù)等方式對(duì)模型進(jìn)行完善。假設(shè)氣冷器內(nèi)的傳熱過(guò)程僅考慮對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)，忽略輻射換熱的影響。在氣冷器的正常工作溫度范圍內(nèi)，輻射換熱在總傳熱量中所占的比例相對(duì)較小，對(duì)整體傳熱性能的影響較弱，因此在模型中予以忽略。在幾何結(jié)構(gòu)上，對(duì)微通道平行流氣冷器的復(fù)雜幾何形狀進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。將微通道扁管視為等截面的直管，忽略扁管在實(shí)際制造過(guò)程中可能存在的微小尺寸偏差和形狀不規(guī)則性。雖然實(shí)際扁管的尺寸和形狀可能存在一定的公差，但在建模時(shí)將其理想化，有助于簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算和分析。對(duì)集管與扁管的連接部分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，不考慮連接處復(fù)雜的局部流動(dòng)現(xiàn)象，如流動(dòng)死區(qū)、回流等。這些局部流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)對(duì)流量分配和流動(dòng)阻力產(chǎn)生影響，但在建立整體模型時(shí)，先進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，后續(xù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或更精細(xì)的數(shù)值模擬來(lái)對(duì)這部分進(jìn)行修正和完善。通過(guò)這些假設(shè)與簡(jiǎn)化，能夠?qū)?fù)雜的二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱與流動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可求解的數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步研究氣冷器的性能提供了基礎(chǔ)。當(dāng)然，在模型建立和驗(yàn)證過(guò)程中，會(huì)充分考慮這些假設(shè)與簡(jiǎn)化所帶來(lái)的誤差，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和更精確的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。7.2模型建立過(guò)程基于傳熱學(xué)和流體力學(xué)的基本原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬所獲得的數(shù)據(jù)，建立二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型。對(duì)于傳熱特性，根據(jù)對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)的基本理論，氣冷器內(nèi)的傳熱量Q可以表示為：Q=hA\DeltaT其中，h為傳熱系數(shù)，A為換熱面積，\DeltaT為二氧化碳與冷卻空氣之間的平均溫差。傳熱系數(shù)h是影響傳熱量的關(guān)鍵參數(shù)，它與二氧化碳的物性參數(shù)、微通道的幾何結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)狀態(tài)等因素密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，建立傳熱系數(shù)h的關(guān)聯(lián)式?？紤]二氧化碳在微通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，引入雷諾數(shù)（Re）、普朗特?cái)?shù)（Pr）等無(wú)量綱數(shù)來(lái)描述流動(dòng)和傳熱特性。對(duì)于湍流流動(dòng)，采用基于經(jīng)驗(yàn)的傳熱關(guān)聯(lián)式，如Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式的修正形式：Nu=CRe^mPr^n其中，Nu為努塞爾數(shù)，與傳熱系數(shù)h相關(guān)；C、m、n為通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的常數(shù)，其取值與微通道的幾何形狀、粗糙度以及二氧化碳的物性等因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定這些常數(shù)的值，從而建立適用于二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。在流動(dòng)特性方面，根據(jù)流體力學(xué)中的動(dòng)量守恒方程和連續(xù)性方程，建立二氧化碳在微通道內(nèi)的流動(dòng)模型。對(duì)于一維穩(wěn)定流動(dòng)，動(dòng)量守恒方程可表示為：\rhou\frac{du}{dx}=-\frac{dP}{dx}-\frac{2f\rhou^2}{D_h}其中，\rho為二氧化碳的密度，u為流速，x為微通道軸向坐標(biāo)，P為壓力，f為摩擦系數(shù)，D_h為微通道的水力直徑。連續(xù)性方程為：\rhouA=constant通過(guò)求解上述方程，可以得到二氧化碳在微通道內(nèi)的壓力分布和流速分布。摩擦系數(shù)f與雷諾數(shù)（Re）和微通道的粗糙度有關(guān)，對(duì)于光滑微通道，可采用Blasius公式計(jì)算摩擦系數(shù)：f=0.3164Re^{-0.25}在實(shí)際建模過(guò)程中，考慮到二氧化碳物性參數(shù)隨溫度和壓力的變化，以及微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響，對(duì)上述公式進(jìn)行修正和完善。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證和優(yōu)化模型的參數(shù)，確保模型能夠準(zhǔn)確地描述二氧化碳微通道平行流氣冷器的傳熱與流動(dòng)特性。7.3模型驗(yàn)證與應(yīng)用為驗(yàn)證所建立的二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱與流動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型的精度，采用一組獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。這組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于另一套與本文實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和參數(shù)相似，但工況條件有所不同的二氧化碳微通道平行流氣冷器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，二氧化碳的質(zhì)量流量范圍為0.025-0.035kg/s，系統(tǒng)壓力為8.5-9.5MPa，空氣速度為2.5-3.5m/s，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要對(duì)比參數(shù)包括傳熱系數(shù)、壓力降和換熱量。在傳熱系數(shù)方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳熱系數(shù)與模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比情況如圖10所示。從圖中可以看出，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上高度一致，隨著二氧化碳質(zhì)量流量的增加，傳熱系數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在質(zhì)量流量為0.025kg/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳熱系數(shù)為230W/(m2?K)，模型預(yù)測(cè)值為225W/(m2?K)