引入固体颗粒强化膜态沸腾换热的机理分析

本文针对热轧棒材生产过程中穿水冷为背景,以热力学分析为基础,讨论了冷却介质中掺入固体颗粒后出现的强化沸腾换热的机理。认为固相颗粒的引入在汽化和凝结过程中形成了非均态核化中心,增加了核化几率,提高了膜内的扩散速率;固体颗粒的存在使得水膜减薄,汽泡的寿命缩短,甚至改变局部传热状态由膜态沸腾转变为核态沸腾。得出了固体颗粒携带水膜穿入蒸汽膜的必要条件是水与固体颗粒的润湿角θ<75°。     

PAG润滑油对小通道内CO2气泡核化及脱离的影响

为了探究润滑油PAG(Polyalkylene Glycol)对二氧化碳气泡核化脱离的影响,采用Matlab软件模拟分析了不同油浓度下CO_2/PAG混合物形成气泡所需的液体过热度、气泡的临界半径、气泡的脱离直径及气泡的脱离频率,研究了PAG的浓度对气泡核化及脱离特性的影响。结果显示:在油浓度为0—5%,蒸发温度为-15℃—15℃的工况下,PAG润滑油浓度越大或蒸发温度越低时,形成气泡所需的液体过热度就越高,气泡的临界半径越大,气泡越不易形成,同时气泡脱离直径变大,气泡脱离频率减小,气泡不易脱离,且润滑油浓度越高,越不利于沸腾换热。     

沸腾系统中的分岔和突变现象

本文利用分岔理论分析了沸腾形态的转变,指出形态转变实际上对应着液相失稳的亚临界分岔和超临界分岔,核化中的不断分岔现象是导致活化核心随机开关和壁温呈混饨特性的主要原因,对传统的等壁温传热模型和人们广泛应用的平均活化核心密度的概念提出了挑战。利用突变理论的基本思想,讨论了沸腾系统中的突变和滞后,深入分析了流速、过冷度和重力对过渡沸腾的影响．     

可膨胀过热水系统多气核演化过程与临界过热度分析

使用分子动力学方法,研究过热水系统均质沸腾核化过程.采用Langevin 动力学方法控制体积可变系统的温度与压力,更好地模拟了沸腾实际物理过程.得到了液相系统体积连续膨胀、分子间距逐渐增大,最终稳定在汽相的现象学规律.当过热温度较高时,亚稳态液相系统可能在局部形成不同大小的近球形区域：气核,这些气核是不稳定的,处于不断演化之中.通过分析分子所受引力与斥力的共同作用,得到了气核形成与消亡以及多个气核融合的机理.比较了模拟结果与经典沸腾理论的差异,提出了气核生长是比气泡生长更为微观过程的认识.通过研究不同过热 关键词： 过热水系统 分子动力学 气核 临界过热度     

流动沸腾空穴核化机理的实验研究

针对水在垂直矩形通道内的流动沸腾,对空穴核化的机理进行了实验研究.不同表面物性的沸腾对比发现良好湿润性表面成核更为持续稳定.空穴成核过程中形成的低过热区域超出了气泡直径大小,影响因数在1.3～1.8范围内变化.微液膜蒸发模型分析液膜厚度在活化核心处最小,而热流密度刚好相反.流动条件加强了气泡脱离运动,致使主流对流冷却作用增强,影响范围超出了气泡直径区域.核心间的相互作用导致核心状态出现间断性,同时主流对流冷却也是重要原因.     

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟纳米尺度下液体在固体壁面上发生核化沸腾的过程,主要研究壁面浸润性对气泡初始核化过程和气泡生长速率的影响以及固-液界面效应在液体核化沸腾的能量传递过程中所起到的作用.研究结果发现：壁面浸润性越强,气泡在固壁处越容易核化.该结果与经典核化理论中“疏水壁面易于产生气泡”的现象产生了明显的区别.其根本原因是在纳米尺度下,固-液界面热阻效应不能被忽略.一方面,在相同的壁温下,通过增强固-液相互作用,可以显著降低界面热阻,使得热量传递效率提高,导致靠近壁面处的流体温度升高,气泡核化等待时间缩短,有利于液体沸腾核化.另一方面,气泡的生长速率随着壁面浸润性的增强而明显升高.当气泡体积生长到一定程度时,会在壁面处形成气膜,从而导致壁面传热性能恶化.因此,通过壁面的热流密度呈现出先增大后减小的规律.     

纳米颗粒影响沸腾换热特性的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法对纳米流体在金属表面的沸腾现象进行研究,揭示纳米流体的沸腾换热机制。模拟系统分为蒸汽氩、液体氩、固体铜板和铜纳米颗粒四部分。着重探讨了近壁区的纳米颗粒对沸腾换热的影响。在高过热度和低过热度两种加热情况下,探讨纳米流体和基础流体的沸腾现象。结果表明纳米颗粒的添加对沸腾过程有显著的影响:氩的温度、系统净蒸发率显著提高。近壁区的纳米颗粒做无规则运动并且不随流体运动。颗粒的尺寸及过热度对强化效果有显著影响。     

铜基双尺度多孔表面厚度对沸腾传热的影响

多孔表面在强化沸腾领域有重要应用。本文制备了系列孔径相近但厚度不同的铜基微纳双尺度多孔表面,这些样品表面上都有一系列直径约为130μm的微孔,而孔壁上则是纳米(亚微米)孔隙。以纯水为工质的池沸腾实验显示,当热流密度较低时,存在最优厚度使得沸腾换热性能最佳;样品CHF随着厚度增加而增加。双尺度多孔表面有着区别于一般的多孔表面的重要特性,当壁面过热度较低时,只有大孔可以形成活化中心;但当壁面过热度到达一定温度后,其孔壁上的纳米尺度(亚微米)尺度结构形成大量的活化中心,其壁面过热度几乎不再随着热流密度的上升而上升。随着厚度的增加,其壁面可以形成的活化穴直径在减小,造成活化所需要的壁面过热度升高。     

沸腾分析

本文对不溶有空气的化学纯液和溶有空气的化学纯液的沸腾问题进行分析,讨论这两种液体沸腾时温度变化的情况,指出它们在液沸腾时都要经过一段过热过程。     

沸腾核化的异相扰动与叠加模型

本文提出沸腾核化的异相扰动与叠加模型,讨论各种扰动特性及对核化的作用。应用新的模型,可定性分析解释不同非均匀核化的物理过程与机制,进一步充实对微小尺度液体提出“汽化空间”与“拟沸腾”两个新概念的内涵并给出更明确的物理含意。     

纳米颗粒对沸腾活化核心密度的影响

根据实验所得沸腾曲线,对纳米颗粒悬浮液进行稳态数值模拟,计算了不同过热度下活化核心的密度.计算结果表明一对于不同浓度的纳米颗粒悬浮液,在考虑了其物性变化对沸腾传热的影响外,颗粒的加入对活化核心密度产生的影响是主要的因素,并且影响效果随颗粒浓度的变化不呈单向趋势.     

过热液氦均匀核化速率的确定

预测不同压力下过热液氦的均匀核化速率是十分重要的,它与液氦的极限过热度密切相关。文中通过回顾动力学理论、分子聚集理论、涨落理论等研究液体均匀核化的方法,对过热液氦的均匀核化速率进行了计算,并且对各种方法进行了比较与分析。结果表明,用能量涨落理论来计算过热液氦的均匀核化速率是一种比较合理的方法。     

超临界CO2迅速降压过程的亚稳成核机理研究

本文对超临界CO2流体迅速降压过程的热力学机理方面进行探讨.对迅速降压中的CO2的亚稳态平衡特性进行分析,研究CO2过热液的成核机理.计算结果表明在迅速降压过程中,CO2气化核心的临界半径和临界势垒都随着过热度的增加而迅速变小,当过热度为0.9 K时,生成临界半径气泡的能量势垒约为0.1 K时的1.2%;当过热度为0.5K时,能量涨落值基本与生成气化核心的临界势垒相当.     

气液相变过程亚稳态体相内部界面分析

利用热力学理论对亚稳态体相内部活化分子的聚集状态进行讨论,发现在无外界扰动的平衡状态下,体相内部活化分子绝大多数以单体形式存在,并给出了单体与聚集体的浓度关系。在聚集体浓度与聚集体内部分子数之间关系分析的基础上,推导出临界聚集浓度的表达式,从而确定体相处于过热(过冷)极限点时的内部分子能量分布特性,借以从分子聚集的角度来描述气液相变的物理图景。同时,利用体相在过热(过冷)极限点处的宏观性质来逆推体相与微小新相之间的界面张力γ,从而对经典理论的形核率作出修正。     

Surface Nucleation Kinetics on Active Centers from Supersaturated Vapor

The formation of nuclei from a supersaturated vapor on a surface with active centers is treated within standard self-consistent classical model with exhaustion of active centers. Basic characteristics of nucleation process (total number of nuclei, nucleation rate, time lag and size distribution of nuclei) are determined by numerical solution of kinetic equations. It is shown that standard approach to nucleation on active centers based on Avrami model coincides with our approach in the values of time lag of nucleation process, but it differs in the total number of nuclei.     

经典理论对超急速爆发沸腾的适用性

分析了难以用经典热力学、动力学理论求液体极限温度的原因,指出了三种汽泡形核率公式的异同点及适用条件,分析表明常规沸腾汽泡压力公式及经典汽泡动力学理论因其过多的理想化假设和简化而不适用超急速爆发沸腾。     

Ice nucleation of water droplet containing solid particles under weak ultrasonic vibration

Water with small volume (a few microlitres or less) often maintains its liquid state even at temperatures much lower than 0 °C. In this study, we examine the onset of ice nucleation in micro-sized water droplets with immersed solid particles under weak ultrasonic vibrations. The experimental results show that ice nucleation inside the water droplets can be successfully induced at relatively high temperatures. The experimental observations indicate that the nucleation sites are commonly encountered in the region between the particle and the substrate. A numerical study is conducted to gain insight into the possible underlying phenomenon for ice nucleation in such systems. The simulation results show that the collapse of cavitation bubbles in the crevice at the particle surface is structure sensitive with the hemisphere-shape crevice generating pressures as high as 1.63 GPa, which is theoretically suitable for inducing ice nucleation.     

State-dependent diffusion coefficients and free energies for nucleation processes from Bayesian trajectory analysis

ABSTRACT

The rate of nucleation processes such as the freezing of a supercooled liquid or the condensation of supersaturated vapour is mainly determined by the height of the nucleation barrier and the diffusion coefficient for the motion across it. Here, we use a Bayesian inference algorithm for Markovian dynamics to extract simultaneously the free energy profile and the diffusion coefficient in the nucleation barrier region from short molecular dynamics trajectories. The specific example we study is the nucleation of vapour bubbles in liquid water under strongly negative pressures, for which we use the volume of the largest bubble as a reaction coordinate. Particular attention is paid to the effects of discretisation, the implementation of appropriate boundary conditions and the optimal selection of parameters. We find that the diffusivity is a linear function of the bubble volume over wide ranges of volumes and pressures, and is mainly determined by the viscosity of the liquid, as expected from the Rayleigh–Plesset theory for macroscopic bubble dynamics. The method is generally applicable to nucleation processes and yields important quantities for the estimation of nucleation rates in classical nucleation theory.     

Pre-nucleation relaxation phenomenon in electric field induced nucleation in superheated liquids

Pre-nucleation relaxation phenomenon in electric field induced nucleation in liquids has been observed at subcritical fields. The relaxation times τ in the processes of the application of electric field and induced nucleation have been measured. τ is found to be function of the degree of superheat of the liquid.