二元混合流体同纯流体一样也存在单一的临界点,且介于两种组分分别对应的临界参数之间,而且在临界点附近热物理性质也会出现剧烈变化。现今工业中的混合流体出现或维持在超临界状态的场合也越来越多,尤其是在空分、能源、低温等领域。因此对超临界二元混合流体中热质传递机理的研究能够为相关工业过程提供理论基础,例如空分流程中的产品纯度优化、天然气/石油气液化过程传热强化、混合工质低温制冷机的性能提升以及超临界流体化工萃取优化等。超临界二元混合流体在热扰动下不仅仅如同超临界纯流体一样存在活塞效应(Piston effect),还会产生在混合流体中特有的Soret效应和Dufour效应。超临界流体中的活塞效应是当流体中存在热扰动时局部出现剧烈膨胀而产生热声波压缩流体的一种特殊传热方式。Soret效应是在温度梯度的驱动下,混合流体中出现的组分相对移动的传质现象,而由Soret效应引起的能量传递即为Dufour效应。本文将主要针对超临界二元混合流体在的这几种特殊效应持续作用下内部在不同时间尺度产生的热质传递现象进行深入的理论和实验研究。本文对超临界二元混合流体系统建立了完整的数学物理模型,在完全考虑各种热质传递现象的基础上推导出了控制方程组,尤其对能量守恒方程进行了完整全面的表述。一维模型的数值模拟研究表明对一个初始处于绝对平衡状态的超临界二元混合流体施加热扰动后,在声学时间尺度下内部首先产生的活塞效应迅速均匀地加热流体主流,使得流体在两个边界上同时出现温度梯度。但温度边界层极薄使得因此而产生在其内部的Soret效应和Dufour效应无法体现出作用。而当达到了扩散时间尺度,逐渐增厚的温度边界层使得Soret效应和Dufour效应的作用逐渐凸显。Soret效应中组分在温度梯度驱动下的移动方向由热扩散比kT的正负号决定,而其实际扩散方向由当地的浓度梯度和温度梯度的梯度比(Gradient ratio)γ决定。对于既定的边界条件和混合流体存在平衡梯度比γb=|-kT/T|。两个边界附近同时出现传质方向相反的Soret效应使得整个流场中建立起组分对流,由此引起的dufour效应加速了流体内部的传热过程。而在不同的混合流体中,这三种热物理现象的作用机理与相互影响的方式均相同,不同之处仅在于作用幅度的大小以及热声波在流体中传递的快慢。所以在常规流体中也同样存在这些现象,只是由于热物性上特点使得作用效果极其微弱而可以忽略。对于处在重力场中的超临界二元混合流体,底部持续的加热会促使自然对流的产生。本文对密闭空间内超临界氮/氩二元混合流体(0.9/0.1)的自然对流进行了二维数值计算,并同时采用激光全息干涉的方法进行了可视化实验研究。实验与数值研究结果均表明在持续的底部加热作用下,底部热边界层逐渐增厚,且边界层中的密度持续减小;当温度边界层增厚至一定的程度,由边界层与主流之间的密度差所产生的浮升力打破了热边界层的稳定而形成热羽。数值计算中由于活塞效应的存在,顶部等温边界处也逐渐产生热羽。超临界二元混合流体中的自然对流因soret效应和dufour效应的存在而比超临界纯流体中发展更快,流动更加强烈。随后在数值计算结果中热羽逐渐发展形成流体空间大范围的自然对流,其流态在侧壁面的影响下具有沿壁面上升中心下降的特征。而在实验中因超临界流体中存在很明显的温度分层(atg)和密度分层,在较小加热量的情况下自然对流只能维持在一定的高度范围内,且腔体顶部也不能产生热羽。在自然对流稳定区域由于强烈的掺混作用使得流动区域内除速度之外的各种参数基本不存在梯度。实验中观察到了超临界二元混合流体中活塞效应的存在,并通过将其实验结果与在相同无量纲对比温度(ε=0.026)下得到的纯氮的实验结果对比得到了dufour效应的实际作用效果,证实了soret效应的存在。超临界流体中的自然对流形成之后,在对流时间尺度下逐渐发展形成稳定的自然对流。本文研究采用实验研究和数值计算相结合的方法对长径比为27的竖直圆管内超临界二元混合流体的稳态自然对流传热特性进行了研究。实验研究表明超临界流体的自然对流传热要明显强于气态流体。超临界氦的自然对流传热特性指数关系(scalinglaw)在很大的ra范围内(109~1017)均保持为nu∝cra1/3。当流体为超临界氮/氩二元混合流体时,在本文研究的ra范围(5.0×1010~2.0×1014)内,因自然对流较强烈而使得soret效应和dufour效应无法体现出作用效果。此时的超临界混合流体可以视作一种拟纯流体(pseudo-purefluid)。再者,根据对流特性的变化可以分为三个流动区域:层流热边界层区域(laminarthermalboundarylayerregime)、过渡区域(Transition regime)和极限区域(Ultimate regime),它们之间的两个临界Ra分别为Racrit1≈4.0×1013和Racrit2≈1.14×1014。在前后两个区域中自然对流的特性指数关系分别为Nu=0.135Ra0.22和Nu=0.0027Ra1/3。当自然对流经过近临界温度区域时,流体热物性的奇异变化使得Nu随Ra的变化趋势中会产生回折(Inflection)现象,并且这种现象会发生在任何超临界流体中,包括混合流体与纯流体。若回折现象又是发生在过渡区域,便导致了过渡分叉现象的产生,即一个Ra会对应两个Nu。此外,通过计算结果与实验结果的比较验证获得了较准确的超临界流体在竖直长管内自然对流传热性能数值计算模型。若上述自然对流物理模型中顶部的冷源能使管内流体温度降到超临界以下,该结构便形成了低温热虹吸管。本文对该转变过程,即低温热虹吸管的超临界启动过程进行了研究。随后继续通过实验研究了气液相变工作状态下低温热虹吸管的传热特性,其传热热阻都是随着传热量的增大先减小后趋于一个常数,并在达到传热极限之后急剧增大。以氮/氩二元混合流体作为工质成功将低温热虹吸管的气液相变工作温区拓展到了64~150 K。但是因换热面与二元混合工质之间浓度边界层(Concentration boundary layer)的存在,正常工作状态下其传热性能比纯工质时稍恶化。根据低温热虹吸管中的不同工作状态,采用了合适的经验公式对不同情况下的传热热阻进行了计算。此外,在低温热虹吸管中观察到了干涸极限、管外沸腾极限、管内沸腾极限和临界极限,其中临界极限一般只会在低温热虹吸管中出现。根据它们产生的机理,采用了不同的方法对相应的传热极限值进行计算,并获得了较准确的结果。本文还通过实验研究了工质充注率以及冷却条件对低温热虹吸管传热特性的影响,通过对结果的分析表明1.0为本文热虹吸管的最佳充注率,并且改善冷却条件能够极大的增强其传热能力。