超临界流体伪沸腾区高保真湍流数据库：揭示跨临界条件下热力学-湍流耦合机制

本研究针对超临界流体在伪沸腾线附近的热力学-湍流耦合难题，通过构建高保真均匀各向同性湍流数据库，揭示了跨临界条件下密度梯度、普朗特数(Pr)和巴彻勒尺度(ηT)等关键参数对湍流结构的调控机制。研究人员采用直接数值模拟(DNS)技术，捕获了CO2在5种热力学状态下的三维瞬态流场，为推进火箭推进、能源系统等工业应用中的超临界流体模型开发提供了基础数据支撑。

　　

在能源和航天领域，超临界流体因其独特的传热特性被广泛应用于先进推进系统和发电装置。然而，当这些流体跨越被称为"伪沸腾线"的关键热力学边界时，会展现出令人困惑的行为：密度剧烈波动、热容(c_p)急剧升高，产生比柯尔莫戈罗夫尺度(η_u)更微小的热力学结构。这种热力学与湍流的复杂耦合，长期以来制约着相关工业设备的优化设计。

西班牙加泰罗尼亚理工大学-巴塞罗那科技大学(UPC)的David Martin和Lluís Jofre团队在《Scientific Data》发表的研究，通过构建首个跨伪沸腾线的超临界均匀各向同性湍流(HIT)数据库，为破解这一难题提供了关键工具。研究采用256³高分辨率网格的直接数值模拟，追踪了CO₂在液体态、气体态及三个不同压力伪沸腾状态的瞬态演化，完整记录了包括速度场、温度场及22种热物理参数的时空变化。

关键技术包括：(1)基于Peng-Robinson状态方程(EoS)的热力学模型；(2)Chung关联式计算的变物性传输系数；(3)保持统计稳态的线性涡量强迫方法；(4)无人工耗散的三阶强稳定保持Runge-Kutta算法。所有模拟均通过NIST数据库验证，密度和粘度预测误差<5%。

【背景与动机】

伪沸腾区流体展现出的"类相变"特性，使传统湍流理论面临挑战。如图1所示，CO₂在临界点附近呈现10倍于常压的普朗特数(Pr)，导致热扩散与动量扩散严重失衡。图2更揭示出，2MPa下跨越伪沸腾线时密度骤降40%，动态粘度(μ)变化达70%，这种剧烈梯度会产生压力-密度失配的斜压扭矩(?P×?ρ)，显著改变湍流能量级联过程。

2的P-(1/ρ)相图，伪沸腾线(红色虚线)分隔液态与气态区域，临界点用红色标记'>

【方法与验证】

研究采用惯性尺度归一化处理控制方程，引入雷诺数(Re_L0=60)和湍流马赫数(Ma_t=0.1)确保物理一致性。如图3所示，Peng-Robinson EoS预测的密度与NIST参考数据吻合良好，但近临界区热导率(κ)存在约15%偏差。网格分辨率达到Δh/η_u≈0.46，可解析仅为柯尔莫戈罗夫尺度1/3的巴彻勒尺度(η_T=η_u/√Pr)。

【关键发现】

1. 跨尺度耦合效应：图4显示伪沸腾区温度谱在kη_u=2π处出现拐点，证实亚柯尔莫戈罗夫热尺度的存在。与低压制冷剂相比，高Pr流体在kη_u>2π波段出现能量增强，反映速度-温度的强非线性耦合。

2. 物性突变影响：表2对比显示，1.5P_c压力下伪沸腾时Pr达3.5，引发动能耗散率(ε)空间分布不均。这种效应在微通道流动中可能提前触发湍流转捩。

3. 模型开发价值：数据库包含Favre平均的雷诺应力张量(?_i''?_j'')等关键统计量，可直接用于修正RANS模型中的湍流普朗特数假设。

【结论与展望】

该研究通过建立首个跨伪沸腾线的湍流数据库，揭示了超临界流体中热力学突变与湍流多尺度结构的耦合机制。特别值得关注的是，伪沸腾过程产生的亚柯尔莫戈罗夫热尺度，可能成为解释微流体装置中异常传热现象的关键。研究人员开源的RHEA求解器(DOI:10.5281/ZENODO.15101202)为后续研究提供了可扩展工具，数据库已涵盖Z=0.9至1.19的压缩因子范围，依据对应状态原理可推广至其他超临界流体。这些发现为发展下一代跨临界燃烧室设计、超临界CO₂动力循环优化提供了理论基础。