中文摘要：

二氧化碳热泵系统由于其良好的环保性以及特殊的热力学性质在热泵热水器和汽车空调有广阔的应用前景，并逐渐向其他余热利用方向进行拓展。然而其CO2的热物性参数和系统的循环方式使得其系统COP较常规制冷剂的要低。因此增加换热量减少耗功来实现系统COP增加成为了关键性问题，而这些问题中所反映的流动相变等问题的即是科学研究中所面临的核心问题。本项目鉴于纳米颗粒在常规热泵系统的成果应用的研究以及前期对高压含油CO2相变机理的探索，提出了以纳米颗粒/CO2/润滑油三相体系为研究对象，研究其物性参数变化，相变传递过程，传热影响因素，交互作用规律等问题，着眼于分析纳米颗粒对系统扰动机理、探索流动、传递、相变过程中各机制交互作用、获得纳米颗粒对于物性参数、相变过程、流型变化的影响规律。本项目将从分子动力模拟，理论模型建立，可视化实验观测等三个方面对三个问题依次展开，希望提供定量数据、参考模型、优化策略等科学指导

结论摘要：

针对CO2纳米流体的分散稳定性问题、输运性质增强机理、纳米颗粒与基液交互作用等传热特性问题展开研究。设计了高压CO2分散稳定性观测系统，研究了纳米颗粒在液态CO2、润滑油以及CO2润滑油混合溶液的分散稳定情况。利用分子动力学模拟方法，模拟分析了纳米颗粒在基液中的布朗运动、颗粒吸附液体层、颗粒团聚的现象并讨论了颗粒尺度、体系温度对分散稳定性的影响。实验证明与常规的工质不同，即使采用了超声波振荡及添加表面活性剂的方法，纳米颗粒在液体CO2中很难形成稳定的悬浮液；但对于在较低的温度下CO2/POE/TiO2能够在一定时间内形成较稳定的分散体系。指出了改善CO2纳米流体分散稳定性的方法对于单独的CO2纳米流体，选取较小的、较窄分布的纳米颗粒，增加外界干扰（如电场）能够改善其分散稳定性。对纳米流体的导热系数、粘度进行了实验和模拟研究，首次对制冷剂的纳米流体应力张量的表达式进行了推导，并通过对应力张量表达式进行从作用类型和基液与颗粒两种划分方式进行分解来分析纳米流体导热系数增强的机理。分析了颗粒体积百分比、温度、颗粒尺寸、颗粒形状、比表面积及球形度等可能影响纳米流体有效导热系数、有效粘度的因素，得到了纳米流体有效导热系数、有效粘度与不同因素之间的变化关系。提出了单位体积输运参数增强比值TPeV来分析纳米颗粒对纳米流体的作用， 指出TPeV可以可以更好地深入分析输运参数增强机理，并可以用来估计最佳体积浓度和最大体积浓度，其取值与颗粒的尺寸、温度、种类以及实验分散好坏等因素相关。分析了纳米流体导热系数增强高于Maxwell估计值的原因颗粒的加入改变了基液的性质，从而引起基液内部相互之间的作用势P受颗粒的影响得到了激化。首次开展了CO2纳米流体传热性能的实验研究，发现了纳米颗粒的添加对超临界循环系统性能的提升相对较好，但要解决纳米流体性能改善的持久性。分析了纳米颗粒与CO2流体交互作用影响，发现颗粒布朗运动不是纳米流体强化传热的机理，而颗粒团聚和颗粒吸附液体层都是影响纳米流体强化传热的重要机理。