内螺纹管流动沸腾气泡行为及换热特性研究

为探究内螺纹管流动沸腾过程中的气泡行为及其对换热的影响机理,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)及相变模型对工质在小尺寸水平内螺纹管中的流动沸腾过程进行二维非稳态数值模拟。获得了不同质量流速下工质在管道内的气相分布以及管壁不同位置处的温度、换热系数。分析了内螺纹管流动沸腾过程中的气泡行为特点以及不同气泡行为对换热性能的影响。研究表明:在内螺纹管中随着质量流速的增加,管内含气率降低,平均换热系数增大。管壁面上气泡的滑移、长大行为会削弱对流换热,而近壁面气泡的聚并行为会增强对流换热。     

低温板翅式换热器仿真边界条件的设定

采用数值模拟的方法,研究锯齿形板翅式换热器在给定壁温、给定热流密度、冷热流体逆流布置和沿壁面长度方向变壁温这四种边界条件的传热特性,得到了在雷诺数为169、415、2725和4095的低压路氦气流动中,不同边界条件下翅片通道的局部努赛尔数沿无量纲高度方向上的分布。结果表明:对于相同Re数下,给定热流密度条件下的壁面温度分布趋势与实际工况下逆流布置时最为接近,其中间位置处局部Nu数沿无量纲高度方向上的变化曲线最为逼近,且计算得到的传热因子j值也最为贴近,所以,仿真时采用定热流边界条件能更好地真实模拟冷热流体逆流换热时的情况。     

大长径比竖管沸腾换热特性实验研究

采用AP1000稳压器电加热元件开展大长径比管束沸腾换热特性实验研究。实验热流密度范围为30~270kW/m~2,以去离子水为工质,在常压下进行实验。实验结果表明:管程高度与热流密度对换热系数均有影响,沸腾换热性能与管壁表面附近流型有一定对应关系。分析了不同热流密度下壁温的沿程变化,拟合了局部沸腾换热系数随热流密度及管程高度的关联式。     

流动方向对超临界二氧化碳流动传热特性的影响

本文基于拟沸腾理论研究了超临界二氧化碳(sCO₂)在水平和垂直向上管中的流动和传热特性差异.比较了不同质量流量、热流密度和压力下水平管与垂直向上管的流动和换热特性差异.与以往超临界流体的经典单相流体假设不同,本文引入拟沸腾理论来处理sCO₂在两管中的流动和传热,将超临界流体视为多相结构,包括近壁区的类气层和管芯中的类液流体.结果发现,传热方面,在正常传热模式下垂直向上管内壁温和水平管底母线内壁温基本一致.当垂直向上管发生传热恶化时,垂直向上管的壁温峰值会随着超临界沸腾数(SBO)的增大超过对应焓值位置的水平管顶母线内壁温.垂直向上管中SBO区分了正常传热和传热恶化.而在水平管中,当弗劳得数小于100时,SBO主导顶底壁面最大壁温差.相比于垂直向上管,相同压力下的超临界流体在水平管内发生传热恶化需要更高的热流密度和质量流量的比值.流动方面,引起垂直向上管压降斜率增高的机理是孔口收缩效应.主导水平管压降变化的机理是分层效应,并用弗劳得数在水平管中顶底壁温差异与压降之间建立联系.     

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.     

高质量流速下立式螺旋管内汽液两相传热特性研究

对高质量流速下立式螺旋管内高压汽液两相流沸腾传热特性进行了试验研究,参数范围为:系统压力8.0～15.0MPa;质量流速2500～4000kg/m2s;壁面热流密度200～1000kW/m2;实验段为Φ14的不锈钢管弯制而成的螺旋管直径比为D/d=30.1的管圈,总长为2.335m,考察了热流密度和质量流速对两相传热的影响,分析核态沸腾和两相强制对流沸腾机理在螺旋管内两相传热中所起的作用,得到了局部传热系数的分布特性和平均传热系数计算关联式,首次发现高质量流速区域内螺旋管内汽液两相传热效果亦趋近于相同条件下直管内的换热系数,并对已有的结论进行了分类比较分析.     

竖直圆管内超临界压力煤油传热特性实验研究

在压力2.5~4 MPa, 质量流量0.7~1.7 g/s, 热流密度0.06~1 MW/m2的实验条件下, 对煤油在内径1 mm, 长度300 mm竖直上升圆管内的流动与传热特性开展了实验研究, 并分析了传热系数随局部油温的变化及不同实验参数对传热的影响.结果表明, 超临界压力下煤油传热主要由自身物性和流动状态决定.超临界压力煤油传热过程大致可以分为3个区域:正常传热区传热强化区和传热恶化区.传热强化主要是湍流掺混增强和近壁面流体在拟临界温度附近物性剧烈变化的综合作用; 传热恶化则是因为壁温及近壁面流体温度远高于拟临界温度, 在近壁面发生了类似于亚临界状态下的“拟膜态沸腾”.      

电场作用下的气泡受力分析

本文在蠕动流近似的基础上分析计算了具有不同介电常数工质的气泡在外电场力作用下的受力状况。计算结果表明电场力的水平分力使气泡沿场强方向伸长,并且液体和气体相对介电常数之比越大的工质所受的电场力越大。从而,沸腾换热过程中外加电场对液体和气体相对介电常数比值较大的工质能够产生更大的影响。     

浮升力对管内水过冷流动沸腾传热特性的影响研究

基于已知的2087组水的过冷流动沸腾传热实验数据,通过努塞尔数(Nu)和格拉晓夫数(Gr)的关系探讨了不同流动方向和加热方式下浮升力对过冷流动沸腾传热性能的影响。对上壁面单边加热水平矩形管内过冷流动沸腾传热进行了实验研究。实验结果表明,向上的浮升力阻碍了气泡向流体中的扩散,使得传热恶化。在增加流速、增大压力和减小过冷度的条件下,Nu均随Gr增加,使过冷流动沸腾传热得到强化。     

小温差喷雾碰壁蒸发的实验研究

本文对小温差下垂直平面的喷雾碰壁蒸发传热特性进行了实验研究,研究了喷嘴在不同的流量和喷距下热流密度、壁温和换热系数之间的关系.实验中,测量范围还扩展到无沸腾区域.实验发现,在常压下,水雾在加热表面开始沸腾的过热度约为10℃,这时的沸腾换热系数将急剧增大,壁温上升的斜率显著下降.本文的研究结果对新型蒸发器的开发有指导作用.     

微通道过冷沸腾实验研究

设计并搭建了以R134a为工质的微通道散热及可视化实验台。对R134a在不同饱和温度、流速、热流密度条件下流经微通道产生过冷沸腾状态时的换热性能进行了实验研究。研究了壁面过热度,质量流速对热沉换热系数和压降的影响,通过结果分析,将整得换热区域分为单相对流、过冷沸腾、饱和沸腾三个区域。并采用基于高速摄像机的可视化技术对微通道内气泡运动状态进行了分析。     

小液滴撞击壁面传热特性数值分析

小液滴撞击壁面现象在喷雾冷却等领域都有广泛应用.为研究小液滴(微米)撞击热壁面(非沸腾区)传热过程,建立了二维液滴撞壁瞬态模型,并采用相场方法对小液滴换热过程中对流热通量和导热热通量的大小进行了对比.研究结果表明:液滴撞击壁面初期形成“冷斑”,有利于小液滴与壁面的传热;小液滴撞击壁面过程中热通量峰值存在于三相接触点附近,数量级在105—106 W/m²;小液滴撞击壁面过程中受壁面浸润性和液滴尺寸对传导热通量的影响较为显著,而速度和液滴尺寸对对流热通量的影响较为显著;大多数情况下,小液滴撞击壁面传导热通量数量级在103—105 W/m²,对流热通量数量级在104—106 W/m²,对流热通量大于传导热通量,在整个换热过程中占据主导地位.     

聚变堆偏滤器过冷水流动沸腾强化换热性能研究

选择欧拉多相流模型和非平衡沸腾模型,用Fluent 软件对单边受热竖直向上平滑管进行了过冷流动沸腾换热的数值分析。研究了不同质量流速、进口温度和热流密度对对流换热系数和空泡份额的影响,并分析了它们对传热恶化的影响。     

部分填充金属泡沫水平管内沸腾实验研究

本文对金属泡沫部分填充的水平管内R134a流动沸腾换热进行了实验研究,研究了质量流速、蒸汽干度和操作压力对压降和换热系数的影响,并将实验数据与传统的光管进行了对比。结果发现,与低质量流速的情况相比,由于在不同质量流速下管内流型不同,导致高质量流速下增加干度更能增强换热,并通过壁面温度分布对沸腾换热流型进行预测。     

压力边界条件下微通道内气体流动换热特性研究

本文用直接模拟蒙特卡罗方法对给定进出口压力边界条件下微通道内气体的流动换热特性进行了数值模拟,给 出了壁面与流体的温差对气体沿程压力、温度及数密度分布的影响。计算结果表明,当壁温高于流体温度时,温差仅出现 在通道进出口处,但其发生机理却不同;流体可压缩性与稀薄性均得到增强,沿程压力分布更加非线性。     

矩形微槽道内R134a流动沸腾换热特性的实验研究

本文主要研究了制冷剂R134a.在水平矩形(截面为1 mm×1 mm)微槽道内的流动沸腾换热特性。通过可视化手段观察到流动沸腾过程中的流型变化。同时得到了质量流速在60~1100 kg/(m~2s)、热流密度在33~120 kW/m~2时的流动沸腾换热系数,并对R134a的沸腾曲线作了讨论。通过可视化结果,发现了从泡状流到干涸流的7种流型。换热系数随着热流密度的增加而增加,干涸流的出现会导致换热系数迅速减小。核态沸腾传热在受限气泡到弹状流阶段得到增强。在搅混-环状流到环状流阶段,R134a的传热系数稳定在一个较高的值。此外,质量流速越大,CHF值越高。     

竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究

针对空–油换热器的结构优化应用,开展了竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究。阐述了沿流动方向的传热恶化问题和沿圆周方向螺纹顶部–螺纹底部的非均匀换热机制。通过近壁区流体参数分布情况揭示了传热恶化的原因。讨论了通道截面温度场、流场、湍动能的分布特征,基于螺旋度和二次流强度描述了二次流的影响。探究了运行压力和螺纹数目对换热的影响。实现了换热关联式预测。结果表明：吸热能力下降和湍动能异常减小是第一次传热恶化的原因,类膜态沸腾还会导致第二次传热恶化问题。螺纹结构和变密度耦合产生二次流,螺旋度沿流动方向不断增大,高温区二次流强度与换热状况具有耦合机制。提出的换热关联式有效获得了三种类型内螺纹管中超临界航空煤油的换热预测。     

无沸腾喷雾冷却技术的研究进展

文中简述了无沸腾喷雾冷却技术近年来国内外的研究进展。着重介绍了关于影响无沸腾区换热各参数的实验研究,如壁面温度、介质体积通量、喷雾流量、喷雾倾角和喷雾高度等,为寻求最佳换热提供了指导。并对无沸腾区的理论研究内容进行了归纳,主要是模拟不同喷雾条件下的换热过程及特性参数(如液膜厚度)的大小和分布,并将理论值与实验数据进行比较分析;总结了影响无沸腾区换热的喷雾特性参数和外部特性。     

超声作用下不同粗糙度表面沸腾换热实验研究

本文以水为工质,不同粗糙度平板作为加热壁面,对有无超声波作用下的过冷池沸腾换热特性进行了实验研究。结果表明:有超声波辐射时,自然对流及沸腾起始阶段强化作用较强,有效消除了光滑加热面上形成的壁温过冲现象;在高热流密度段超声波对沸腾传热影响很小,一定声强下光滑表面沸腾传热甚至出现了阻碍作用。     

基于拟沸腾理论的超临界CO2管内传热恶化量纲分析

超临界流体广泛应用于工程技术领域,其流动传热特性对工程设计具有重要意义,但是,由于超临界流体的物理微观和宏观行为的机理尚不清晰,所以其异常的流动传热特性并未得到很好的解决.普遍认为超临界流体在分子尺度上可分为类气和类液两种不同的特性,直到最近通过实验在宏观上监测到超临界水类液和类气之间的转变,且这一过程与拟沸腾理论一致,使得问题逐渐变得清晰.本文基于拟沸腾理论对超临界CO2异常流动传热行为进行了研究,在假设类液和类气转换过程不均匀的情况下,从经典的量纲分析和亚临界过冷沸腾理论模型出发,提出了一个适用于超临界流体拟沸腾换热过程的分析方法.通过引入表征类气膜生长速度与流体主流平均流速之比π=(qw·ρ1)/(G·Δi·ρg)和表征近壁区类气膜温度梯度π13=(qw·βpc·di)/λg两个无量纲数,来表征拟沸腾如何导致传热恶化,解释了超临界CO2竖直向上加热流动过程中的异常换热特性,即较大的类气膜生长速度使近壁区快速聚集了较多的高温流体,而较大的类气膜温度梯度使类气膜覆盖在壁面.当核心的冷类液不能充分润湿热壁面时,传热恶化.新无量纲数较好的诠释了超临界流体拟沸腾诱导传热恶化机制,为超临界拟沸腾传热研究提供了理论依据.