多孔介质孔隙率对池沸腾传热性能影响机理的模拟研究

采用介观相变格子Boltzmann(lattice Boltzmann, LB)方法,在孔隙尺度下研究了多孔介质的孔隙率对池沸腾换热过程的影响,重点分析了不同孔隙率时气泡的运动过程,并对气泡在多孔介质中的典型状态进行了力平衡分析,进而探究了多孔介质孔隙率影响沸腾传热的机理.结果表明,与无多孔介质的平板表面相比,多孔材料能够有效地降低初始成核的壁面过热度,增强流体的扰动,并且能够显著提升临界热流密度(critical heat flux, CHF)值.在所研究的工况中,孔隙率ε=73.2%时,CHF值提升最大,约为平板的3.6倍,其余孔隙率的多孔介质最小也可将其CHF值提升至平板的2.3倍.
研究发现,当孔隙率从97.7%开始逐渐减小时,CHF值逐渐增大,同时沸腾换热曲线向左上方移动,这是因为减小孔隙率能够增大有效换热面积,减小气泡成核的壁面过热度,从而强化沸腾换热.当孔隙率减小到ε=73.2%时,若继续减小孔隙率,热流密度将突然下降,沸腾传热性能显著降低.通过对沸腾过程中气泡的受力进行分析后发现,当孔隙率较小时,过小的孔隙直径显著增大了气泡的逸出阻力,降低了气泡的上升速度,延长了气泡脱离多孔介质的时间,且此时气泡会在蒸发动量力、接触压力以及摩擦力等的共同作用下聚集在加热器上表面,形成气膜,从而恶化沸腾传热.