加热表面粗糙度对高热流密度沸腾传热影响的多尺度数值模拟

本文以沸腾固气液界面为研究对象,建立了包括孔穴活化、液膜蒸发、气泡生长与脱离、壁面热传导等子过程的耦合模型,以探究固气液界面传热对高热流密度沸腾过程的影响。为了能够分辨微米量级的孔穴,模型中10 mm×10 mm的沸腾表面被划分为诸多子区域,每一个子区域中孔穴大小和数量随机分布,当子区域的过热度大于孔穴活化的临界过热度时,一部分孔穴活化生成气泡。进一步结合大液膜蒸发模型获得沸腾传热热流密度,并将其作为边界条件分析加热器热传导特性,从而通过对不同过程的多尺度耦合模拟不同表面粗糙度条件下高热流密度区的核态沸腾曲线,并进一步分析了孔穴数量及分布对加热壁面温度的影响。结果表明:预测所得沸腾曲线与实验结果基本相符,加热表面孔穴数量的增加使沸腾曲线左移,同时,孔穴数目的增多还会使活化点密度对壁面温度波动更为敏感,从而产生交替出现的长短周期。     

低温液体核态流动沸腾传热的机理模型

对核态沸腾表面上的各种传热机理进行了分析和量化,建立了低温液体核态流动沸腾传热的机理模型,并将该模型纳入双流体模型实现了数值求解,数值预测的结果详细地反映出了壁面上各参数随流动的变化情况。该机理模型的计算结果表明,气泡挣脱后液体与过热壁面间的激冷效应是导致壁面上各参数在OSV处突变的根本原因。     

使用界面追踪对膜态沸腾的数值研究

提出一种计算带相变的自由界面的数值算法.基于分段线性界面重构(PLIC)的VOF(volume-of-fluid)方法用于追踪自由界面,并对汽液交界面上的相变导致的不连续速度场给出处理方法.此方法容易实施且被证明是有效的.流场的求解使用SIMPLE方法,表面张力使用连续表面力模型(CSF)进行计算.在三维直角坐标系下,模拟了水平壁面上的膜态沸腾,在二维适体坐标系下,模拟了竖直圆头柱体表面的自然对流膜态沸腾.计算结果与理论关系式符合较好.     

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.     

微重力核态沸腾近壁面汽泡生长模型

建立二维近壁面汽泡生长模型,研究过冷度,壁面过热度,壁面物性,接触角,核化点尺寸等因素对汽泡生长的影响.本文建立的汽泡生长模型在低壁面过热度条件下趋近于微液层蒸发控制的汽泡生长模型,在高壁面过热度条件下趋近于无限过热液体中传热控制球形汽泡生长模型.     

超疏水表面膜态池沸腾传热实验研究

通过纳米颗粒沉积法在不锈钢球上制备了静态接触角大于160°的超疏水表面,并采用淬火法对该不锈钢球在过冷度为0℃~25℃的去离子水中的瞬态池沸腾传热过程进行了实验研究。结果表明,由于表面的超疏水特性,整个瞬态沸腾过程直至极低表面过热度时始终处于膜态沸腾状态。不锈钢球的冷却速率随着过冷度的增大而提高,其膜态沸腾的热流密度和平均努塞尔数也随着过冷度的增加而近似呈线性增长的趋势。对汽膜演化过程的可视化观察发现,在过冷度较大时蒸汽产生量减少,导致汽膜层扰动减弱、汽液相界面趋于平稳。     

微细通道内蒸发薄液膜区壁面滑移及微流动特性

基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论研究微通道中蒸发薄液膜区固液界面附近流动和传热特性,考虑压力特征、壁面滑移和温度跳跃建立物理模型.利用边界层近似,提出一种计算固液界面吸附微液层热阻的方法,导得固液界面的热阻和温度.数值模拟结果表明,壁面微流动会降低毛细压力梯度,增加壁面热阻,降低液相过热度,恶化液膜铺展和传热性能,在薄液膜区不可忽略.阐明壁面微流动含义,指出滑移系数与吸附流动微液层厚度的关系.     

多方位矩形窄缝中液氮沸腾传热特性实验研究

本文实验研究了常压下液氮在多方位矩形窄缝通道中的沸腾传热特性。研究发现液氮在不同窄缝方位角时,壁面过热度有差异;窄缝间隙愈小,沸腾传热系数愈高。在中等热流密度下,强化传热作用明显,传热系数可达常规光管的3～5倍。加热面呈0°和180°放置时,在相同热流下其他角度尚处于核态沸腾区时,已达CHF点。     

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。     

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。     

卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的实验研究

本文对卧式螺旋管内R134a过冷流动沸腾的起始点进行实验研究,根据壁面温度的变化规律判定过冷沸腾起始点。在热流密度逐渐增大的情况下,对过冷沸腾发生时相关参数的不同变化进行了研究,得到了过冷沸腾起始点上壁面过热度和热流密度随位置的变化规律。分析了入口参数对过冷沸腾起始点的热流密度的影响趋势。对实验数据进行回归分析,发展了适用于卧式螺旋管内过冷沸腾起始点热流密度的经验关联式。     

竖直矩形窄缝通道过冷流动沸腾的实验研究

本文以去离子水为实验工质,对常压下竖直窄缝通道内过冷流动沸腾的气泡特性进行了实验研究。通过可视化实验分析发现,汽化核心密度主要受壁面过热度影响,气泡脱离直径受壁面过热度、主流过冷度以及质量流速影响。拟合了汽化核心密度和气泡脱离直径的经验关系式,预测结果与实验值误差较小。     

微型槽内流动沸腾的实验研究

本文报道水在截面0.6mm×0.7mm的微型长方槽中流动沸腾的实验研究结果,获单相对流直到核沸腾在内的q~n-T_w特性曲线.对数据的分析比较发现:微型槽内流动沸腾时没有明显的部分核沸腾工况,而旺盛核沸腾传热却得到了很大的强化,所需壁面过热度仅3—8℃,低于通常内部流动时的沸腾;尚未沸腾的单相对流传热则受马拉哥尼效应的影响,影响程度与液体的过冷度和流速有关.     

气—液—固三相流载气蒸发传热研究

本文在一由垂直设置的紫铜电加热棒与一玻璃套管构成的同心环隙内,对气—液—固三相流载气蒸发传热进行了实验研究.考察了载气进口速度,固体颗粒性质,热负荷等因素对传热的影响.结果表明:引入载气与固体颗粒,对环隙内对流沸腾传热均有显著强化作用,并使物料在加热壁面上的过热度明显下降.本文还分析了其传热强化的机理,并获得了计算传热膜系数的关联式.     

液滴撞击热壁面的相变行为研究

本文基于格子Boltzmann方法建立了液滴撞击热壁面的数学模型,研究了撞击过程液滴相变传热机制,重点分析了壁面温度与We数的影响规律.结果表明,随着壁面温度升高,液滴撞击壁面出现接触沸腾、膜态沸腾相变模式.接触沸腾过程中液滴内部与壁面接触的三相线附近出现最大局部热流.当壁面温度超过Leidenfrost点后,撞击液滴因界面蒸发产生的气膜托举作用而与壁面无接触地铺展、回缩直至完全反弹形成膜态沸腾,这一阶段液滴所能达到的最大铺展因子与液滴We数呈幂次关系(指数为0.313).     

核态沸腾中汽泡动力学及传热机理分析

汽泡的传热及生长特性研究对于揭示核态沸腾的机理具有重要作用。本文介绍了利用高速摄像技术对核态沸腾中汽泡生长及运动现象进行实验观测,并用高速数据采集系统记录汽泡一个生长周期不同阶段的热流密度的方法。在不同的过冷度及壁面温度条件下,观测了汽泡的生长、周期性滑移、颈化和脱离现象。计算并绘制出不同条件下一个汽泡生长周期内的热流密度曲线,与汽泡图片相对应,分析并讨论了造成这些现象的机理。     

池式沸腾人工孔上汽泡脱离直径的研究

汽泡脱离直径是研究核状沸腾机理和估算沸腾给热系数的重要参数之一,其研究对深入探讨沸腾现象及沸腾强化具有一定意义.核状沸腾的汽泡脱离直径,前人已进行一些研究工作,提出了几种物理模型和计算方法,但都有一定的局限性.本文探讨池式沸腾中较大孔径的人工孔上的汽泡脱离直径及随孔径、壁面过热度和介质物性的变化规律。     

基于VOF方法的带相变的自由界面的计算

对于气液自由界面上存在相变(蒸发、沸腾或凝结)的情况,由于此时不仅物性分布是不连续的,速度场也发生了不连续,这无论对于捕捉或追踪自由界面的算法本身还是流场的求解都带来了一定的困难.本文提出一种基于VOF方法的计算带相变的自由界面的算法,对这种情况下的关键问题一速度场的不连续性给出了解决方法.并用编制的二维程序计算了水平壁面上的膜态沸腾,并将计算结果与理论公式进行了比较.     

水平管内环状流动核态沸腾换热模型

本文在已有的池和外掠平板核态沸腾机理研究的基础上,提出了系统的水平管内饱和流 动核态沸腾理论,建立了水平管内环状流下流动核态沸腾换热的组合模型,并对该模型进行了简化 和数值求解。最后,将计算结果与ＨＦＣ－１３４ａ实验数据进行了比较;结果表明二者一致性较好。     

多孔材料微通道流动沸腾可视化实验研究

微通道换热器因其结构紧凑、换热能力高、工质消耗少等优点成为解决微小空间“散热难”问题的有效途径之一,采用多孔材料制作的微通道热沉能够极大地增加换热面体比,因而可以进一步提高其换热能力。本文利用可视化手段对槽道翅片顶部与盖板间留有狭缝、通道截面为矩形(400μm×600μm)的开放型多孔微通道的流动沸腾现象进行实验研究。研究发现,多孔材料表面及内部形成的大量连通孔穴使得通道中核化位点明显增多,观察到的流型除泡状流、弹状流、段塞流外,还有由于开放通道上方存在狭缝所导致的混合分层气泡流。汽化核心密度增加以及混合分层气泡流的出现增强了微通道内的核态沸腾、微对流和微液膜蒸发,从而增强微通道流动沸腾的换热能力并有效降低壁面过热度。