电场作用下锥翅表面强化池沸腾换热的介观数值方法

采用耦合电场模型的相变格子Boltzmann模型,数值研究了电场作用下锥翅结构表面的饱和池沸腾换热.为了定量分析电场对锥翅结构表面沸腾换热影响的机理,首先在无电场作用下对比调查了平滑表面和锥翅表面的沸腾换热现象.发现锥翅结构在核态沸腾阶段有更多的成核点,沸腾换热性能增强,临界热流密度(critical heat flux,CHF)提高.而在过渡沸腾阶段以及膜态沸腾阶段,由于锥翅结构增加了锥翅表面流体的流动阻力,阻碍了气液交换,换热性能低于平滑表面.基于以上发现,通过对锥翅表面池沸腾过程施加电场,进一步强化了锥翅表面沸腾换热.结果表明,在起始核态沸腾阶段,电场的存在稍微延后了气泡开始成核时间,气泡尺寸减小,沸腾轻微被抑制;充分核态沸腾阶段,由于电场力的作用以及电场与锥翅结构协同表现出的尖端效应,阻止了加热表面干斑的扩散和蔓延,促进沸腾换热;过渡沸腾以及膜态沸腾阶段,尖端效应更加明显,逐渐增大的电场强度使沸腾在更高过热度下处于核态沸腾状态,沸腾换热性能大幅度提高,且CHF逐渐提高.     

粗糙度对铁铬铝在骤冷过程中沸腾传热影响的实验研究

铁铬铝作为事故容错燃料包壳的主要候选材料,能够抑制反应堆在严重事故下产氢释能的风险,提高反应堆的事故耐受能力。本文基于可视化方法研究了不同粗糙度的铁铬铝在骤冷过程中沸腾传热行为,通过一维导热反问题求解计算铁铬铝的表面热流密度和温度,分析了液体过冷度和粗糙度对铁铬铝骤冷行为的影响。研究结果表明随着过冷度的增大,铁铬铝的骤冷时间减小,最小膜态沸腾温度增大。铁铬铝表面的膜态沸腾换热与粗糙度无关,最小膜态沸腾温度受表面亲水性影响显著。     

不锈钢棒材形状对淬冷沸腾的影响研究

对平底和圆底两种不同形状不锈钢圆柱棒在不同过冷度下的淬冷沸腾进行了可视化实验研究。结合导热反问题实验方法处理,对比分析了棒材形状和过冷度对淬冷沸腾过程气膜演变和最小膜态沸腾温度的影响,结果表明：相对于平底,圆底棒材底部圆滑使气膜不易破裂,延长了淬冷沸腾的时间;随着过冷度的增加,壁面冷却速率增大,膜态沸腾时间缩短,最小膜态沸腾温度升高,临界热流密度增大,促进了淬冷沸腾的进行。最终建立了最小膜态沸腾温度与过冷度的关系式。     

高聚合物膜蒸发器冷凝表面液滴润湿状态研究

为了增强高聚合物膜蒸发器中换热面的导热性能,通常的做法是减小膜的厚度,而低膜厚条件下换热面上冷凝液滴的润湿状态通常只由表面一级结构(槽状)决定。本文在研究已有润湿状态区间的前提下,通过分析Cassie-Baxter方程和Wenzel方程在描述槽状聚合物表面液滴润湿状态时存在的问题,进一步细分了表面润湿状态区间,并分区间提出了相应的状态描述方程,为研究蒸发器换热面上液滴的冷凝形态及进行换热面设计提供了依据。     

蒸汽加热竖直矩形窄通道流动沸腾换热的研究

为研究板式换热器内(蒸发-冷凝器)两相换热机理及流型特征,建立单侧蒸汽加热竖直矩形窄通道可视化实验系统,并进行实验研究。结果表明:在窄通道换热中,以核态沸腾换热机理更为活跃,流动沸腾受到抑制,表面换热系数最大值出现在核态沸腾区域;随着入口温度越高,表面换热系数最大点往左迁移,随着质量流量的增大,过冷段增加,沸腾起始点升高,表面换热系数最大点往右移;矩形窄通道主要出现泡状流、合并汽泡流、搅拌流和环状流四种流型;将实验数据与现有流型图进行对比,发现流型转变与质量流量、通道尺寸及加热方式有关。该研究为更好的设计板式换热器提供了理论依据。     

堆积多孔介质中流动沸腾换热的实验研究

为了研究堆积多孔介质中流动沸腾换热特性,以横截面积为10 mm×10 mm、长100mm的铜管中充满直径为0.4～1.0 mm、孔隙率为0.31～0.37的钢珠的多孔介质为对象,对水在流过此多孔介质时沸腾换热现象进行了研究,获得了流速、热流密度、粒径和加热方位等对换热性能影响的规律:随着流速的增大,沸腾换热系数增大;随着热流密度增大,沸腾换热系数降低;随着热流密度的变化,小颗粒多孔介质的壁面过热度的变化量比大颗粒多孔介质要大得多;从下表面加热比从上表面加热的壁面过热度要低,约2～3 K,更有利于沸腾换热。     

超亲水多孔表面制备及其池沸腾换热研究

采用电沉积法制备了纳米级树枝状结构与微米级孔穴结构复合的多孔表面,分析了电镀时间对多孔表面结构的影响,制备的多孔表面孔隙率最高可达94.4%,且具有超亲水特性。建立了多孔表面的去离子水池沸腾换热实验系统,对比研究了多孔表面与平表面的池沸腾换热性能,结果表明,多孔表面的临界热流密度239 W/cm~2,最高对流换热系数5.9W/(cm~2K),分别比平表面提高了100%和120%。     

多孔表面的液氮池沸腾实验研究

文中对颗粒烧结多孔表面和泡沫金属多孔表面上的液氮池沸腾换热特性进行了实验研究,并与光滑铜表面的试验结果进行了比较。结果表明,多孔表面成核条件更好,使得沸腾起始点相对于光滑表面提早;随着热流密度逐渐增大,气泡增多,且在多孔层内部连成一片,加热表面气泡离开受到多孔层的限制,热阻增加,换热系数大幅降低,整个沸腾进入表面沸腾阶段;多孔结构所产生的毛细抽力不断补充冷却流体,使表面沸腾能够持续较长时间,实验中未观测到临界热流密度现象。在实验基础上,文中描述了多孔表面不同池沸腾换热阶段的主要换热机理,并分析了流体工质、多孔层厚度、渗透系数、孔隙率等参数对多孔表面池沸腾换热的影响。     

相变发汗冷却的数值模拟

以火箭发动机燃烧室相变发汗冷却为背景,对水在流过横截面为50mmxl0mm的铜管中充满直径为0．4mm孔隙率为0．31的不锈钢珠多孔介质时沸腾换热现象进行数值模拟。研究了重力角度、无重力条件下多孔介质的导热系数以及内部缺陷对沸腾换热的影响。结果表明,重力角度、多孔介质导热系数及内部缺陷均影响多孔介质中的沸腾换热：重力与...     

微重力准稳态池沸腾中的气泡动力学研究

本文实验研究了微重力条件下的准稳态核态池沸腾现象中的气泡动力学特征及其对传热特性的影响,发现在低过冷度沸腾中,聚合汽泡表面的强烈振荡促进了整个加热面上的核化过程与核态沸腾传热;而高过冷沸腾中,聚合气泡在表面张力作用下呈球状,难以覆盖整个加热表面,导致核态沸腾向膜态沸腾的过度过程表现为"核态沸腾+局部的干斑扩展"现象,相应的传热曲线没有明显转折.微重力条件下池沸腾临界热流随过冷度和压力的增加而升高,与地面结果定性相符.     

低温液体充填管路的数值计算

在低温液体的管路输送中,充填过程是一个使管路热负荷大幅减少的预冷却阶段,了解其特征规律非常重要。本文通过建立一维模型,对水平液氢加注管的预冷过程进行了数值计算,求得了各时刻管路的壁温分布,以及预冷却过程所用的时间。初步分析了低温液体充填管路过程中,管壁与工质的温度分布特点,以及管路长度、管径与加注流量对预冷却时间的影响。     

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.     

Experimental and numerical study of the effect of conjugate heat transfer on film cooling

Combined convection heat transfer and thermal conduction for film cooling of a flat plate with 45° ribs on one wall was investigated experimentally and numerically. The flat plate surface temperature was measured using thermochromic liquid crystals. The results show that the film cooling is the main mechanism for the local cooling with a very low thermal conductivity while the convection heat transfer of the coolant in the coolant channel is the dominant heat transfer mechanism for the high thermal conductivity plate, with both film cooling and convection heat transfer by the coolant being important with medium thermal conductivity walls.     

纳米结构影响沸腾换热特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟液体在纳米结构表面的快速沸腾过程.主要研究了纳米结构表面粗糙度以及栏栅形和棋盘形两种排列方式对液体快速沸腾过程以及换热特性的影响.研究结果表明,随着纳米结构表面粗糙度的增加,栏栅形和棋盘形纳米结构表面液体沸腾起始时间均提前.当栏栅形和棋盘形纳米结构表面粗糙度相同时,棋盘形纳米结构表面会进一步缩短液体沸腾起始时间.形成这种现象的原因是纳米结构表面粗糙度的增加,增加了固液接触面积,提高了初始时刻热通量,减小了固液界面热阻,导致表面附近液体动能增大,增大了液体高度方向的温度梯度,有利于液体发生沸腾.当纳米结构表面粗糙度相同时,棋盘形纳米结构表面具有较小的界面热阻,从而缩短了沸腾所需要的时间.     

Disintegration of flows of superheated liquid films and jets

This paper represents results on investigating the dynamics of boiling and disintegration of superheated liquid films and jets. The first part deals with experimental study of boiling liquid outflow through short cylindrical and slit channels. Evolution of disintegration of a hot water jet flow is observed both at low and moderate superheating and at high and limit superheating, and also for vaporization mechanisms corresponding to these superheatings. Peculiarities of disintegration of jets through slit and cylindrical channels are noticed. Results on measuring the reactive thrust of the jet through a slit channel under different geometrical conditions behind the channel outlet are represented. The 1/f fluctuations in transient regimes of superheated liquid boiling and in transient regimes of behavior of the jet shape are found. The second part of this article represents results on experimental investigation of nonsteady heat transfer and dynamics of the development of crisis phenomena at boiling of a falling subcooled liquid film in the conditions of stepwise heat release. The experimental data were obtained using synchronized high-speed infrared thermography and video. It is shown that with growth and condensation of vapor bubbles, on the liquid film interface appear large-amplitude waves that lead to considerably increasing local intensity of heat transfer. New data on the boiling incipience temperature in a subcooled liquid film, depending on the heat flux density, are obtained. It is found that the development of boiling crisis is a result of appearance of local dry patches and their subsequent growth by the mechanism of longitudinal thermal conductivity in the heat transfer wall as the equilibrium heat flux density is exceeded.     

纳米颗粒悬浮液池内泡状沸腾的实验研究

本文对纳米颗粒悬浮液在平壁面上池内沸腾进行了实验研究。实验用的纳米粒子为26 nm的铁粉和13 nm的三氧化二铝纳米粉末,基液为去离子水。分别配成体积浓度为0．1％, 1％和2％的悬浮液。实验结果表明,纳米悬浮颗粒对液体沸腾换热过程的影响会随着纳米颗粒性质,颗粒浓度及热流密度大小的不同而出现不同的效果;加入纳米颗粒后, 对基液沸腾换热的影响存在着两个相反的作用机制,它们分别为:纳米颗粒增强了液体内部的热量迁移能力(热物性的影响)和改变了加热面的表面结构特性(加热面特性的影响)。     

混合润湿性柱状纳米结构对铜板上纳米氩膜沸腾传热的影响

混合润湿性对固/液相互作用有显著影响,因此对提高相变过程中的传热速率有积极作用.采用分子动力学模拟方法研究了柱状纳米结构表面混合润湿性对池沸腾传热的影响.分析了混合润湿性和纳米结构柱高对液体起始沸腾时间和温度的影响及其机理.结果表明,疏水比例和柱高会影响爆沸的起始温度和时间.与纯亲水壁相比,增加疏水比改变了固液界面性质,可以降低沸腾温度,更容易突破势能壁垒,使液体起始沸腾时间提前,并且随着疏水比的增加,不同柱高下的沸腾温度降低;当疏水比相同时,增加柱高扩大了混合润湿性的影响,也能降低沸腾起始温度并使液体起始沸腾时间提前.这为设计微纳粗糙结构和混合润湿表面以强化沸腾传热提供了思路.     

Interpreting the influence of fuel spray impact on mixture preparation for HCCI combustion with port-fuel injection

This paper addresses the influence of fuel spray impact on fuel/air mixture for combustion in port-fuel injection engines. The experiments include time resolved measurements of surface temperature synchronized with PDA measurements of droplet dynamics at impact and were conducted to quantify the effects of interactions between successive injections on the mixture preparation for combustion in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines. Analysis shows that, during engine warm up, the heat transfer over the entire valve surface occurs within the vaporization-nucleate-boiling regime and the local instantaneous surface temperature correlates with the dynamics of droplets impacting at the same point. A functional relation is found for the heat transfer coefficient, which also describes other experiments reported in the literature. Similarity does not hold after the engine warms up because heat transfer and droplet vaporization at the surface are dominated by multiple interactions between droplets arisen from diverse heat transfer regimes. However, results evidence the existence of a critical surface temperature which sets a transition between overall heat transfer regimes dominated by local nucleate boiling at lower temperatures and by local intermittent transition regimes at higher temperatures. The heat transfer within the overall nucleate boiling regime is shown to be due to a thin film boiling mechanism leading to breakdown of the liquid-film at a nearly constant surface temperature, regardless of injection frequency or any other spray conditions. While at low frequencies this regime is not limited neither by the delivery of liquid to the surface, nor by the removal of vapour from the surface, at higher frequencies it is triggered by enhanced vaporization induced by piercing and mixing the liquid film. The results further evidence the important role of spray impingement for mixture preparation as required for HCCI.     

异质原子对液体气泡成核影响的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了池沸腾中液体层加入异质原子对气泡成核的影响.分析了异质原子能量参数对液体起始气泡成核时间和温度的影响及其机理.结果表明,当异质原子能量参数小于液氩能量参数时,液体起始气泡成核时间缩短,起始温度降低.当异质原子剂能量参数大于液氩能量参数时,液体起始气泡成核时间增加,起始温度升高.异质原子在壁面上的吸附及在液体中的扩散行为影响固液界面性质,较大能量参数的异质原子扩散系数较小,更多能量参数较大的原子吸附在固体表面上使得壁面势能壁垒增加,导致沸腾时间延迟,液体需要吸收更多的热量克服势能壁垒,进而提高沸腾起始温度.能量参数较小的异质原子扩散系数较大,异质原子更容易分散到液体中,使得壁面附近液体层势能减小,液体层更容易气泡成核行为.     

小型平板CPL蒸发器耦合计算及优化设计研究

本文建立了小型平板CPL蒸发器毛细多孔芯内汽液两相流动与传热的模型以及金属外壁和工质区的导热模型,并进行耦合求解.分析了金属侧壁效应对蒸发器性能的影响,提出小型平板CPL存在着侧壁效应传热极限.数值结果表明,工质蒸发发生在多孔芯加热表面附近,蒸发器采用单一金属外壁时由于侧壁效应导致系统传热极限低,而上壁采用导热系数大,侧壁及下壁采用导热系数小的新型结构能够明显的提高系统的传热能力,同时使加热表面的温度维持在较低的水平.