临界热流密度物理机理的实验研究

本文通过实验研究了池沸腾和液膜沸腾条件下的临界热流密度。实验结果表明,初始液膜厚度对于临界热流密度没有影响,并且液膜沸腾的临界热流密度值和相同条件下的池沸腾的临界热流密度值相当。这一实验结果验证了‘尺度分离'假设。通过高速摄像机对液膜沸腾进行直接观测,发现在高热流密度时,绝大多数的气泡底下有微液膜存在,只有少量气泡底下出现干斑,但是由于高频的气泡生长过程,干斑很快被润湿而消失。接近临界热流密度时,干斑的面积占据整个加热表面的比例不超过10%。当热流密度达到临界值时,干斑由于不能被润湿而渐渐扩大,最后导致加热壁面烧毁。     

微液膜动力学特性与稳定性实验研究

气-液两相流设备的性能受限于临界热流密度,开展流动微液膜动力学特性及其稳定性的相关研究是深入理解沸腾危机及临界热流密度机理的关键。采用光学玻璃制成的矩形通道作为实验段,使用微流量齿轮泵驱动去离子水,使其在实验通道入口处与在其上部流动的压缩空气接触形成同向流动的分层流。利用共轭光学探测器对流动微液膜的厚度进行了测量,利用高速摄像机对气-液两相分层流波动特性进行了可视化观测。研究表明,在绝热情况下,当液速一定时,液膜的平均厚度随着气速增加而减小,当气速增加到某一阈值时会导致液膜破裂。     

垂直加热管外自由降膜流的破断特性

在较宽液膜雷诺数和进口温度范围内对垂直加热管外自由降膜流破断特性进行了实验研究。应用热物理学相似分析的方法整理实验数据，给出新的破断准则数综合关系式，并与１９９３年发表的另一些作者的结果作了比较。实验参数的变化范围如下：ｔｉｎ＝２０～９０℃，最大液膜雷诺数Ｒｅ为１．２１×１０４，最大热流密度达１．３９×１０５ｗ／ｍ２。     

超声作用下流动液膜在流道中传热的实验分析

受超声作用的流动液膜流过具有热源的流道底部来强化传热,以降低壁面的温度。通过实验方法来分析在不同的工况下受超声作用的流动液膜对加热壁面温度和传热系数的影响。实验结果表明,以45°倾斜角放置的超声波以及较大的液膜流速和超声波的耦合可获得较低的壁面温度和较高的换热系数。同时,在较低的热流密度下,顺流对液膜传热的影响大于逆流,随着热流密度的逐渐增大,顺流对液膜传热的影响减弱。此外,两个超声波对液膜的共同作用可获得96%的换热系数上升速率。基于实验结果,得到了两个超声波比单个超声波能产生更多对流的结论。该研究对设备降温有参考价值。     

液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟

采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性，将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性，研究气液界面和热流分布的演变过程.同时，分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用，强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加，冲击引起的扰动增强，在动量和能量共同作用下，平均热流密度明显增大，撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小，平均热流密度越大，且有更长的时间保持高热流密度换热.     

滞止区内过冷液体喷流沸腾的临界热流密度

本文对高温平板滞止区内三种过冷液体的圆形喷流冲击沸腾的临界热流密度进行了系统的稳态实验研究。考察了过冷度、流速、喷流直径等流动条件对喷流沸腾临界热流密度的影响。建立了预示液体临界热流密度的半经验型方程。     

石墨膜表面临界热流密度实验研究

本文以光滑石墨膜作为加热表面,在标准大气压下以去离子水为工质进行了饱和池式沸腾实验。实验研究表明,在热流密度达到1.83 MW/m^2时,石墨膜发生膨胀并使其表面局部破裂,随着热流密度的进一步升高,破裂的面积逐渐扩大,石墨膜的电阻呈现阶跃式升高。在2.40 MW/m^2的热流密度下,石墨膜表面全部破裂,此后随着热流密度增加,电阻上升幅度变小,最终,在热流密度达到3.17 MW/m^2时,石墨膜发生烧毁。可见,石墨膜通过膨胀破裂的方式能自适应地强化沸腾传热临界热流密度,强化比例达到73%。同时,通过高速摄像机的观察发现,在相同热流密度条件下,与光滑表面相比,膨胀表面的气化核心数增多,气泡脱离直径变小,气泡脱离频率变大。     

R134a在水平管外降膜蒸发的实验研究

实验研究了不同热流密度不同液膜流量下,R134a在垂直布置的七根水平强化管外的降膜蒸发传热特性。结果表明:相同热流密度下在液膜流量较小阶段,管外传热系数随着液膜流量增加而明显增加;随着液膜流量的进一步增大,管1~3的管外传热系数保持不变,管4~7的管外传热系数先增大后减小。同时发现,液膜流量为0.159 kg·m~(-1)·s~(-1)时,随着热流密度的增大所有管的传热性能先增大后减小,并且转折点出现在较小的热流密度下;液膜流量为0.29 kg·m~(-1)·s~(-1)时,管1性能一直增强,管2~4的传热系数随热流密度增大先增大后减小,管5~7的传热系数一直减小,并且管1~4转折点出现在较大热流密度下。     

流动不稳定性对沸腾临界触发机制的实验研究

本文以D_(in)=2.15 mm的带旁通小流道为对象,分别在不同液相质量流速以及不同入口水温条件下开展沸腾临界实验,结合汽泡动力学行为以及两相界面形态特征,探讨流动不稳定性对沸腾临界的触发机制。在本文工况范围内,在流动状态由稳定阶段转变为不稳定阶段后,进一步增大热流密度会触发沸腾临界,且所有沸腾临界均属于DO型沸腾临界。当液相质量流速较高时,环状流近壁液膜主要在汽芯强烈的扰动作用下迅速破裂;当入口水温较低时,近壁液膜主要由于强烈的蒸发现象迅速破裂;因此沸腾临界与流动不稳定性几乎同步被触发。本文分别通过引入受限系数(N_(conf))、过冷数(N_(sub))、以及Weber数(We)来反映壁面的限制作用、入口过冷度、以及惯性力与表面张力对沸腾临界的影响,建立了适用于D_(in)=2.15 mm带旁通小流道的CHF模型。     

窄缝通道中液氮的临界热流密度实验研究

本文在实验的基础上对窄缝通道中液氮的临界热流密度进行了实验研究。实验针对3个不同长度和间距尺寸的窄缝通道在多方位倾角的情况下进行。实验测量结果显示窄缝的方位倾角和窄缝的间距尺寸对临界热流密度有很大的影响。临界热流密度随窄缝间距尺寸的减小而减小,随着窄缝倾角的变化先增加(0°-90°)后减小(90°-180°),而窄缝长度对临界热流密度的影响作用较为复杂。通常,临界热流密度在倾角为90°时达到最大值。     

双液滴撞击平面液膜的流动与传热特性

采用耦合的水平集-体积分数法(CLSVOF)对双液滴连续撞击恒定壁温壁面上的热液膜的流动和换热特性进行了数值模拟及分析,得到了双液滴撞击热液膜后形态演变的过程.分析了液滴垂直间距、撞击速度、液膜厚度以及液滴直径对双液滴撞击液膜后的流动与传热特性的影响,结果显示,壁面平均热流密度随液滴撞击速度的增大而增大,液滴垂直间距、液膜厚度和液滴直径对平均热流密度的影响较小,但会对热流密度在撞击区域和交界区的分布产生重要影响.     

窄缝通道中液氮的沸腾传热研究:第二部分:窄缝通道尺寸对液氮临界热流密度(CHF)的影响

在实验的基础上对窄缝通道中液氮的临界热流密度进行了实验研究.实验针对3个不同长度和间距尺寸的窄缝通道在多方位倾角的情况下进行.系统研究了窄缝的方位倾角和窄缝的几何尺寸对临界热流密度的影响,同时对液氮的膜态沸腾进行了研究.     

过冷态超流氦中的稳态传热

本文详细研究了过冷态超流氦(Hellp)中的稳态传热,内容包括临界热流密度、膜沸腾传热系数、以及过冷态超流氦浴温度和压力对稳态传热特性的影响.对最大临界热流密度的理论性探讨——“相对临界热流密度法”较为成功地阐述了 Hellp 的最大临界热流密度.     

双面加热环形通道内干涸点的确定

根据环形管通道内流体流动和换热的特点,以Kirillov和Smogalev提出的干涸点理论模型假设为基础,从最基本的质量守恒方程出发,并引入临界液膜厚度等相应的辅助模型,得到了双面加热环形通道内流动沸腾干涸点的理论模型。同时针对间隙为1.0mm和1.5mm的环形窄缝进行了低压低质量流速工况下干涸点的实验研究。比较发现理论模型预测值与实验结果基本相符。说明本文提出的理论模型适用于低压低流量条件下的窄环形通道。实验同时发现:环状流临界热流密度在系统压力为2.2MPa达到最大值,临界含汽量随质量流速的增大呈缓慢下降趋势。     

以R22为冷却介质的机载闭式喷雾冷却传热性能关联式研究

以机载应用为研究背景,搭建了使用R22的闭式喷雾冷却实验系统,考察了加热表面在介质沸腾状态和临界失效状态的传热性能,为机载高热流密度武器热管理系统的设计提供参考。定义了表征液滴撞击、液膜流动、蒸发换热和沸腾换热的无量纲数,分别为雷诺数Re、韦伯数We、雅可比数Ja和无量纲温度ε,并给出了适用于沸腾换热和临界后失效状态的传热性能关联式,关联式结构简单,实验值与拟合值的相对误差均在±15%以内,满足航空工程设计计算要求。拟合过程中分析了各无量纲数对关联式精度的影响,得出在沸腾换热阶段,韦伯数We的影响不可忽略;雅可比数Ja较之无量纲温度ε更适合用来反映沸腾换热阶段流体和表面的温度变化;在过临界失效阶段主要影响传热性能的是韦伯数We。     

超临界压力航空燃料热声不稳定流动实验研究

对竖直圆管内超临界压力航空煤油的热声不稳定流动进行了实验研究。考察了不稳定流动工况壁温的振荡特征和发展过程,分析了运行参数对不稳定流动的影响机制,获得了不稳定流动的边界,实现了临界热流密度的预测,弥补了对其发展过程和边界预测研究的不足。结果表明:高热流密度下通道内煤油依次经历三种拟沸腾流动不稳定过程.振荡声响分为三类,基本处于低频范围。根据临界热流密度随质量流量、进口温度和进口压力的变化规律,通过无量纲化建立了不稳定流动的起始预测准则。     

液膜沸腾条件下厚液层厚度物理模型研究

沸腾传热近加热壁面"厚液层(Macrolayer)"的特性对于临界热流密度的触发具有决定性的作用。然而,沸腾条件下厚液层厚度的实验数据很缺乏,预测模型也尚不完善。本文通过液膜沸腾实验获得了不同热流密度下厚液层的特征厚度。现有的厚液层预测模型中,Haramura与Kumada模型的预测值低于实验值,Sadasivan模型的预测值高于实验值。本文基于Haramura模型,建立的厚液层厚度预测模型具有较高的精度,最大误差降低到12%,适用范围在0.5q_(CHF)到q_(CHF)之间。     

超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内对流换热实验研究

采用超临界压力碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却技术是超声速燃烧冲压发动机的一种重要热防护技术。本文以工程碳氢燃料为工质,在内径2 mm的竖直圆管内进行了不同流向、流量、压力、热流密度条件下的对流换热实验研究。结果表明,在较高进口Re数条件下,相同热流密度时,向上流动和向下流动工况的壁温分布没有明显差别;在较低进口Re条件下,向上流动工况的局部壁温远高于对应向下流动工况,发生传热恶化。研究表明该碳氢燃料的临界Bo*数判据为3×10~(-7)。拟合得到适用于该碳氢燃料的对流换热关联式。     

高热流作用下微通道内的周期性射流特性

在低质量流速和高热流密度下,对深度为30μm的微通道内的流动沸腾进行了实验研究,发现了毫秒级周期性喷射流型、液膜的波动及液丝的断裂现象.分析表明,喷射周期的长短与沸腾数(Bo)有关,界面非平衡蒸发导致液丝失稳及液膜波动;微通道宽度方向上的Marangoni效应引起液膜和液丝的收缩、波动及断裂.     

棒束通道CHF预测方法研究

本文采用实验和数值计算分析相结合的方法,研究了带定位格架棒束通道内过冷流动沸腾工况下临界热流密度(CHF)发生情况.提出了通过采用CFX4.4程序对带定位格架棒束通道内过冷流动沸腾计算来预测CHF发生位置的方法.结果表明,随着程序的发展和物理模型的完善,计算流体动力学方法(CFD)将成为核燃料棒束组件临界热流密度实验、设计和安全评估强有力的计算分析工具.