超临界流体混合与相平衡机理是航空推进、动力循环等领域的核心基础问题之一。在高压燃烧室与动力系统中，超临界条件射流混合表现出十分复杂的流动和传递特性，其混合过程的相态特征与主导机制长期存在争议：传统气液两相混合理论能否直接外推至超临界区间？拟临界特性如何影响混合传质过程？
研究所传热传质研究中心围绕超临界流体扩散混合与相平衡特性开展了系列实验研究。中心团队搭建了高速像素掩膜激光干涉测量平台（图1），以CO2-CO2和CO2-N2互射体系为试验对象，覆盖气-气、液-超临界、超临界-超临界等多种相态组合工况，定量获取了瞬态视线平均密度场（图2）、混合层厚度与传质系数等关键参数，获得了不同热力学路径下的界面迁移速率、射流边界分形维数等定量结果。
针对单一组分跨/超临界CO2射流的实验结果表明：射流形态与热力学路径高度相关，跨临界射流表面张力逐步消失；分形维数升高至1.30~1.38，射流由边缘向核心逐步完成状态转变；拟临界大梯度区会形成“缓冲层”效应，抑制径向扩散。
进一步的多相射流实验发现：高压CO2相平衡界面演化与传统射流不同，液-气工况界面平均迁移速率仅0.31 mm/s（图3），以液滴破碎蒸发为主；液态射流进入超临界环境时扩散作用占主导，混合效率明显提升，界面平均迁移速率可达0.82 mm/s。流体跨越拟临界参数区域时受缓冲层阻滞，速率降至0.45 mm/s。高速射流剪切卷吸带来的强化效果显著，其界面迁移速率可达同等热力学条件慢速平衡过程的1.07~3.18倍。
基于混合介质(CO2-N2) 的射流试验发现超临界工况下混合层厚度可达0.55~0.7 mm，传质系数为10-5 m/s量级，远高于亚临界条件数据。同时拟临界区物性扰动会引发全场流体密度振荡，进而导致了射流不稳定性。上述结果证实了超临界混合不存在热力学意义上稳定的相界面，而是受扩散传递过程主导。跨临界工况则存在界面效应与扩散效应的动态竞争：液态CO2射入超临界N2的初期，液相表面张力仍可维持柱形射流结构，相界面带来传质阻滞，使局部传质系数下降；随着混合发展，界面效应逐步减弱，使得混合层厚度不断拓宽，完成由界面主导向扩散主导的转变。
该系列研究明确了不同热力学路径下的超临界混合传质机制，形成系统性的实验定量数据集。该系列研究成果可为超临界射流流动理论完善、射流部件工程优化设计以及数值模型校验提供重要的定量实验支撑。
以上研究得到了国家自然科学基金（No. 52076207）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（No. YSBR-043）等项目支持，研究成果发表在Experimental Thermal and Fluid Science 139 (2022) 110729,The Journal of Supercritical Fluids 189(2022)105724,Flow Measurement and Instrumentation 92 (2023) 102399, International Journal of Heat and Fluid Flow 114 (2025) 109830, The Journal of Supercritical Fluids 239 (2026) 107118等国际期刊。
图1 高速干涉实验平台
图2 N2-CO2射流混合的瞬态密度云图（The Journal of Supercritical Fluids 239 (2026) 107118）
图3 不同跨临界路径下平衡过程的界面迁移速率随时间的分布（Flow Measurement and Instrumentation 92 (2023) 102399）