采用孔隙尺度方法对Gyroid结构中SCO?流动的传输特性进行了数值研究

《The Journal of Supercritical Fluids》：Numerical investigations on transport properties for SCO 2 flow in Gyroid structures with the pore-scale method

超临界CO?在Gyroid多孔介质中的传热传质特性通过孔隙尺度模拟与体积平均模型结合研究，推导出孔隙率依赖的渗透率、Forchheimer系数、对流换热系数及有效热导率经验公式，验证了体积平均模型在预测温度场和速度场中的准确性，为高热流密度燃烧室传热设计提供理论支撑。

　　在超临界二氧化碳（SCO?）作为燃烧室衬层冷却介质的研究中，科学家们发现其在多孔介质中的热质传输特性对冷却效果有着决定性的影响。为了更有效地进行热质传输建模，特别是针对需要高精度的喷雾冷却设计，研究者们正致力于开发适用于特定多孔结构的、依赖孔隙率的传输特性关联式。目前，这类关联式仍较为缺乏，特别是在中等孔隙率（30%-42%）的Gyroid结构中，其热质传输行为在超临界流体条件下的研究尚处于初级阶段。

Gyroid结构因其独特的几何特性，如自由站立、高度有序性和大比表面积，成为喷雾冷却应用中的优选材料。这种结构的多孔特性使得SCO?能够在其中形成稳定的边界层，从而实现高效的冷却效果。然而，传统多孔材料在喷雾冷却中存在诸如不可控流动行为和“气体堵塞”等缺点，影响了其冷却性能。因此，采用可设计的多孔结构，如基于三重周期性最小曲面（TPMS）的结构，成为提高冷却系统性能的重要途径。

研究团队通过直接的孔隙尺度数值模拟，重建了不同孔隙率的Gyroid结构，并分析了SCO?在其中的热质传输行为。他们发现，孔隙率对渗透率具有指数关系，而Forchheimer系数则呈现出线性下降的趋势。这些结果表明，随着孔隙率的增加，流体在多孔介质中的流动阻力减小，但非达西效应的影响力也随之减弱。此外，有效热导率需要通过修正因子进行调整，范围在0.57到0.78之间。这表明，孔隙率的变化对热导率的影响并非线性，而是需要通过更精细的模型来捕捉。

为了进一步提高模型的准确性，研究者们还提出了一个经验公式，用于计算表面平均努塞尔数（Nu_sf），该公式考虑了温度依赖的热物性参数。这有助于更精确地预测SCO?在多孔结构中的对流换热行为。研究团队将这些关联式整合到体积平均模型中，并通过共轭传热模拟进行验证。结果显示，基于局部热非平衡（LTNE）假设的体积平均模型能够准确预测温度和速度场，从而为喷雾冷却设计提供了可靠的理论依据。

此外，研究团队还指出，SCO?在接近伪临界温度时，其热物性参数的变化对传热行为有显著影响。当前许多关于SCO?传热特性的研究多基于大型系统，如换热器，这些研究结果在微尺度几何结构中可能并不适用。因此，针对中等孔隙率Gyroid结构的SCO?传热特性进行深入研究，不仅有助于完善现有理论模型，还能为实际工程应用提供更加精确的数据支持。

在体积平均建模中，热传递通常采用局部热平衡（LTE）或局部热非平衡（LTNE）假设。LTNE方法能够更准确地描述多孔介质中的热传递行为，尤其是在存在显著温度梯度的情况下。有效热导率是体积平均模型中关闭宏观能量方程的关键参数，它决定了热量如何从流体相传递到固体相，从而影响整体的热非平衡状态。已有研究通过不同的计算方法，如基于相对厚度和导热率的统一关联式，探讨了TPMS结构的有效热导率。然而，针对中等孔隙率Gyroid结构的SCO?传热特性，尚缺乏系统性的研究。

为了填补这一空白，研究团队进行了系统的孔隙尺度模拟，并将结果用于构建适用于Gyroid结构的体积平均模型。他们通过分析不同孔隙率下的热质传输行为，建立了与孔隙率相关的渗透率、Forchheimer系数、对流换热和有效热导率的关联式。这些关联式不仅能够提高模型的预测能力，还能为喷雾冷却系统的设计提供理论支持。

研究结果表明，中等孔隙率的Gyroid结构在喷雾冷却应用中表现出良好的性能。通过将孔隙尺度的模拟数据与体积平均模型相结合，研究团队成功地开发出一套适用于该结构的热质传输模型。这一模型的建立，不仅有助于理解SCO?在Gyroid结构中的流动和传热行为，还为未来的工程应用提供了可行的解决方案。此外，该研究还强调了在实际应用中，需要充分考虑SCO?热物性参数的变化，以及这些变化对传热行为的影响，以确保模型的准确性和可靠性。

在实际工程中，喷雾冷却系统的设计需要兼顾结构强度、冷却效率和注入率等多方面因素。Gyroid结构因其高度有序的几何形态和良好的机械性能，被认为是一种理想的选择。然而，由于其孔隙率的限制，通常选择中等孔隙率的结构，以确保在满足冷却需求的同时，保持结构的稳定性和强度。研究团队通过孔隙尺度模拟，揭示了这些结构在不同孔隙率下的热质传输特性，为后续的优化设计提供了重要依据。

综上所述，这项研究不仅填补了在中等孔隙率Gyroid结构中SCO?传热特性的研究空白，还为基于体积平均方法的喷雾冷却设计提供了关键的理论支持。通过建立依赖孔隙率的传输特性关联式，研究团队为未来在高温、高热负荷环境下的冷却系统设计提供了新的思路和方法。此外，研究还强调了在实际应用中，需要结合具体的工程需求，对热物性参数的变化进行充分考虑，以确保模型的准确性和实用性。这些成果对于推动喷雾冷却技术的发展，特别是在高超音速飞行器等极端条件下的应用，具有重要的意义。