本文档属于类型a（单篇原创研究论文），以下是针对该研究的学术报告：
1. 研究团队与发表信息
本研究由德国斯图加特大学核技术与能源系统研究所（Institute of Nuclear Technology and Energy Systems, University of Stuttgart）的J.D. Bronik、M. Buck和J. Starflinger合作完成，发表于2025年的期刊《Nuclear Engineering and Design》，文章标题为《Critical heat flux detection and temperature profile measurement with OFDR in a carbon dioxide cooled tube at high subcritical pressures》。该研究是“Swinth-2024”特刊的一部分，DOI编号为10.1016/j.nucengdes.2025.114387。
2. 学术背景与研究目标
科学领域：研究聚焦于超临界流体热工水力（thermal-hydraulics of supercritical fluids）领域，具体涉及临界热流密度（Critical Heat Flux, CHF）和干涸后传热（post-CHF heat transfer）现象。
研究动机：未来核反应堆系统可能采用超临界状态的流体（如水或CO₂）作为工质，但系统在启动、停堆或事故工况下可能经历跨临界压力范围（trans-critical pressure range）的热传递变化。现有研究对低压比（p/p_c < 0.7）的CHF已有充分探索，但对高压比（0.7 < p/p_c < 1）的数据和模型仍匮乏。
研究目标：通过实验量化高压比下CO₂的CHF极限及干涸后传热系数，揭示近临界压力区的热传递物理机制，为安全设计提供依据。
3. 研究流程与方法
实验平台与对象：
- SCARLETT实验设施（Supercritical CO₂ Loop at IKE Stuttgart）：改造后可在亚临界压力下运行，配备质量流量控制器、减压阀和直流电源加热系统。
- 测试段：内径10 mm、加热长度2000 mm的合金625圆管，外壁安装光纤测温系统（OFDR）和热电偶，辅以压力、压差、进出口温度传感器。
关键实验步骤：
1. CHF实验：
- 从稳态条件开始，逐步增加加热功率（电流步长0.01–0.02 A），每步维持30秒。
- 通过OFDR系统（空间分辨率5.2 mm，采样频率8 Hz）监测壁温分布演化，结合热电偶校准数据。
- 定义CHF判据：壁温首次显著偏离饱和温度（可逆波动）为初始信号，后续不可逆跃升为CHF确认点（误差±1%）。
创新技术：
- OFDR测温系统：基于瑞利散射（Rayleigh scattering）的分布式光纤传感技术，通过频域反射分析实现高分辨率壁温追踪。校准采用二阶多项式拟合（系数见表2），克服裸光纤与钢毛细管接触的热阻问题。
- 热损失修正模型：通过未加热实验标定绝缘层缺陷，引入修正因子k=3.32计算有效热阻（公式12-13）。
数据分析方法：
- 内壁温通过一维导热模型迭代求解（公式8-10），热传递系数由局部热流密度与过热度计算（公式11）。
- CHF位置判定采用斜率阈值法（公式14），结合沸腾数（Boiling number）和温度梯度。
4. 主要结果
CHF特性：
- 在高压比（p_r=0.98）和高质流密度（300–1200 kg/m²s）下，观察到两阶段温度跃升：首次为渐进式热传递劣化（壁温升高5–10°C），第二次为剧烈跃升（>20°C）。作者将后者定义为CHF主判据（表5）。
- 质流密度效应：高质流密度（如1200 kg/m²s）下，温度跃升更陡峭且CHF位置向出口偏移；低质流密度（300 kg/m²s）时现象减弱。
干涸后传热：
- 发现渐进式热平衡行为（asymptotic behavior）：在CHF点上游形成温度包络线，随功率增加趋近共同边界（图10-12），表明干斑（dry patches）蒸发冷却的动态平衡。
- 波动传播分析（图17-18）：通过时空温度波动图识别“波动线”（instability line）和“CHF线”，提出干斑形成加速流动的假说，解释抛物线形热波动轨迹。
压力与温度影响：
- 近临界压力（72 bar）下热传递劣化显著，而70 bar时仅高质流密度（1200 kg/m²s）下出现类似现象（图14）。
- 入口温度降低至8°C时，壁温平台现象消失（图15），显示工质过冷度对CHF机制的调制作用。
5. 结论与价值
科学价值：
- 填补了高压比亚临界区CHF数据的空白，揭示了近临界压力下热传递的两阶段劣化机制。
- 提出干斑动力学模型，为高质流密度工况的CHF预测提供新视角。
应用价值：
- 支持超临界反应堆安全分析代码（如ATHLET）的模型验证，改善瞬态工况下的热工水力预测能力。
- OFDR技术的成功应用为高温高压环境下的分布式测温提供了新方案。
6. 研究亮点
1. 高压比CHF首报数据：首次系统量化p_r=0.95–0.98范围内的CHF极限与干涸后传热系数。
2. 多模态CHF判据：结合温度斜率与沸腾数开发动态阈值法，解决非经典温度跃升的判定难题。
3. OFDR技术突破：实现5.2 mm空间分辨率的壁温全场监测，克服传统热电偶的局部局限性。
7. 其他价值
- 实验发现的不稳定沸腾前兆效应（precursor boiling）为后续研究提供了新方向，可能关联于过渡沸腾（transition boiling）或偏离核态沸腾（DNB）的中间状态。
- 数据公开承诺（on request）有利于学界进一步验证与模型开发。