山东大学齐建荟IJHMT：CO₂ 跨临界非平衡凝结演化规律

转自 先进动力实验室

全文摘要

    在极具前景的CO₂布雷顿动力循环中，超临界二氧化碳（sCO₂）压缩机通常运行在临界点附近以获得更高的效率。然而，局部膨胀凝结会影响sCO₂压缩机的稳定和高效运行。在实验室研究中，拉伐尔（De Laval）喷管常被用于考察离心压缩机的膨胀流动特性。在本研究中，采用该喷管来模拟sCO₂压缩机前缘附近的快速膨胀流动。将模拟结果与现有的实验结果进行对比，结果表明当前的数值方法能够捕捉喷管内的凝结流动特征。模拟结果表明，液滴生长阶段潜热的释放是产生凝结激波的主要原因。当入口温度恒定时，降低压力会延迟凝结并减少液滴的形成。在超临界条件下，压力降低1 MPa会使质量流量减少0.02866 kg·s⁻¹，总压损失降低0.30997。当压力恒定时，升高温度会进一步延迟凝结，使质量流量增加0.01693 kg·s⁻¹，并将压力损失降低0.40059。这些发现可为压缩机的运行提供指导。

    本文第一作者是山东大学核科学与能源动力学院低碳能源与储能技术中心2023级博士生肖永清，通讯作者是齐建荟。

引用格式

Yongqing Xiao, Gaoming Xiang, Jianli Zhao, Jianhui Qi. Evolution characteristics of non-equilibrium condensation behavior of CO2 during transcritical transition[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 254（2026）127606.

01 研究背景

超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，sCO₂）布雷顿循环凭借效率高、结构紧凑及能源适应性强等优势，在先进核能、太阳能热发电等领域具有广阔的应用前景。作为循环系统的核心设备，sCO₂离心式压缩机通常在近临界条件下运行，以降低压缩功耗。然而，近临界区域CO₂热物性变化剧烈，叶轮内部局部加速引起的膨胀降温可能诱发非平衡凝结，改变流场结构并增加流动损失，影响压缩机的稳定高效运行。

目前，针对sCO₂ 压缩机内部凝结问题的研究多采用均相平衡凝结模型（HEM），难以准确描述液滴成核、生长及凝结滞后等非平衡现象。针对这一问题，山东大学研究团队以拉瓦尔喷管为研究对象，构建了考虑液滴成核与生长的非平衡凝结数值模型，系统研究了不同入口条件下CO₂的凝结演化规律、凝结激波形成机制及凝结损失特性，为sCO₂压缩机的凝结预测与抑制提供了理论参考。

02 研究亮点

本研究并未将CO₂凝结简单视为气液两相之间的瞬时平衡转变，而是从微观液滴成核、生长及宏观流动损失之间的联系出发，建立了非平衡凝结过程的分析框架。研究围绕“凝结如何发生—液滴如何演化—凝结为何产生损失—如何通过入口参数调控凝结”这一逻辑展开，形成了以下四个主要研究亮点。

1）建立考虑液滴成核与生长的CO₂非平衡凝结数值模型

研究基于真实气体热物性参数，将液滴成核与生长模型耦合至流动控制方程，实现了对CO₂快速膨胀过程中非平衡凝结行为的数值预测。该模型能够捕捉液滴成核速率、液滴数密度、液滴半径及液相质量分数等关键参数。通过与已有实验数据对比，喷管压力预测误差小于10%，凝结起始位置预测误差小于6%，验证了数值模型的可靠性。

图1 拉瓦尔喷管中心线压比验证

2）揭示超临界与亚临界入口条件下CO₂非平衡凝结的演化差异

研究对比了超临界与亚临界入口条件下CO₂的膨胀路径、过冷度及液滴成核与生长特性。结果表明，相比于亚临界入口条件，超临界入口条件下凝结起始位置明显后移，液滴成核与生长区域更加宽广。此外，超临界条件下最大成核速率与最大过冷度的位置存在明显分离，揭示了凝结潜热对液滴成核过程的重要影响。

图2 液滴生长速率和液滴半径在截面上的分布

3）揭示液滴生长潜热释放主导凝结激波形成的物理机制

研究发现，亚临界入口条件下喷管扩张段存在明显的凝结激波，而超临界入口条件下未出现显著的压力突增。通过分析液滴成核与生长阶段的液相质量生成速率，发现液滴生长阶段贡献了超过99.99%的凝结潜热，其集中释放引起局部气流受热增压，是形成凝结激波的主要原因，揭示了微观液滴生长与宏观压力变化之间的物理联系。

图3 液滴成核和液滴生长阶段的质量传输速率在截面上的分布

4）量化入口参数对CO₂凝结损失的影响，提出凝结抑制思路

研究通过改变入口压力和温度，分析了CO₂非平衡凝结特性及其对质量流量和总压损失的影响。结果表明，降低入口压力或提高入口温度均能够推迟凝结发生、减少液滴生成并降低总压损失。相比于降低入口压力，适当提高入口温度能够在保持质量流量相对稳定的同时，更有效地降低凝结引起的总压损失，为sCO₂压缩机凝结抑制及运行参数优化提供了参考。

图4 亚临界入口条件下质量损失和总压损失

03 研究结论

本研究面向sCO₂压缩机近临界运行过程中可能出现的局部非平衡凝结问题，通过构建真实气体非平衡凝结数值模型，系统研究了CO₂在拉瓦尔喷管中从不同入口状态膨胀时的凝结行为，揭示了液滴成核、生长与凝结激波之间的联系，并对不同入口参数下的流动损失进行了定量分析。主要结论如下：

1) 超临界与亚临界入口条件下的CO₂非平衡凝结具有不同的演化特征。

两种入口条件下均存在液滴成核与生长过程，但超临界入口条件下凝结位置明显后移，凝结区域更加宽广。代表性工况下，亚临界入口的宏观凝结起始位置为喷管喉部下游3 mm处，而超临界入口条件下位于18 mm处，表明入口热力学状态对凝结位置和液滴演化过程具有显著影响。

2) 液滴生长阶段的潜热释放是凝结激波形成的主要原因。

液滴成核与生长共同参与凝结过程，但超过99.99%的凝结潜热来源于液滴生长阶段。亚临界入口条件下，潜热集中释放引起局部压力突然增加，形成明显的凝结激波；超临界入口条件下，由于凝结潜热释放相对较弱，未观察到明显的凝结激波。

3) 入口压力和温度能够显著调控CO₂凝结程度及流动损失。

在入口温度一定时，降低压力能够推迟凝结并减少液滴生成；在入口压力一定时，提高温度同样能够抑制凝结。两种方式均能降低总压损失系数，但在本文所研究的工况范围内，提高入口温度对减小总压损失更为有利，且引起的质量流量变化较小。

本研究的意义不仅在于揭示了CO₂快速膨胀过程中的非平衡凝结演化规律，更在于从液滴成核、生长及潜热释放的角度解释了宏观凝结激波的形成机制，并建立了入口运行参数与凝结损失之间的联系。研究结果为sCO₂离心压缩机近临界流动稳定性分析、入口运行参数优化及凝结抑制策略设计提供了理论依据。未来还可进一步考虑液滴之间的相互作用以及气液两相之间的速度滑移，并将非平衡凝结模型应用于具有复杂三维流动特征的压缩机叶轮通道，以深入研究真实旋转流动环境下的凝结形成与发展机制。

04 作者介绍

肖永清，现为山东大学核科学与能源动力学院2023级博士研究生，从事超临界CO₂两相流动与传热的复杂流场数值模拟研究，涉及燃气轮机、压缩机流动优化等领域。