摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径实验研究

以去离子水为工质,可视化研究了矩形窄缝通道内不同质量流速下摇摆运动对汽泡脱离直径的影响。研究结果表明,由于摇摆运动引起的局部流场波动,汽泡生长过程变得不稳定,且汽泡脱离直径在一定范围内波动,这种效应会随质量流速的增大而减弱。线性拟合发现,摇摆角位移为0°时,汽泡脱离直径有最小的趋势。     

摇摆运动对过冷沸腾流体中汽泡受力的影响

摇摆运动引起的附加加速度会对过冷沸腾汽泡的受力产生影响.计算分析发现,附加加速度对汽泡本身的影响相对汽泡所受的其他力可以忽略不计;附加加速度会引起流量的波动,而汽泡受力大小和流量有密切的关系.本文计算了摇摆运动下的汽泡受力,并与不摇摆时的进行了比较,发现摇摆运动对汽泡受力的影响很大,这样会使汽泡脱离点位置发生明显的改变,进而影响沸腾换热.     

窄缝通道内汽泡界面参数对脱离直径预测的影响

通过汽泡受力分析,构建窄缝通道内汽泡脱离直径预测模型。基于可视化实验获得的汽泡轴心倾斜角、前后接触角以及底部接触直径等数据,评价分析汽泡界面参数对脱离直径预测的影响,进而确定适用于本实验工况下窄缝通道内汽泡受力模型求解的界面输入参数,获得了窄缝通道汽泡脱离直径的预测值。利用竖直和倾斜条件下可视化实验获得的58个数据对汽泡脱离直径预测模型进行了验证,预测值和实验值符合较好。基于验证的汽泡脱离直径模型评估了各个力的地位和作用,应用分析了热工参数对汽泡脱离直径的影响。     

倾斜及摇摆条件下窄通道内汽泡密度变化研究

通过可视化方法研究了窄通道内发生过冷沸腾时汽泡密度在摇摆与倾斜工况下的变化。图像统计结果表明：在摇摆过程中,汽泡密度呈周期性波动。通过数据对比发现：随着摇摆周期的减小,汽泡密度波动幅值逐渐增大,但波动形式无明显变化;随着摇摆角度的增加,汽泡密度有所下降,但波动形式不变。正角倾斜时,汽泡密度随角度的增大而逐渐减少;负角倾斜时,随角度的增加汽泡密度出现先减后增的现象。摇摆条件下最大角度处汽泡密度与对应角度下倾斜时的汽泡密度接近。     

摇摆运动对窄通道内汽液界面参数的影响

对摇摆运动下矩形窄通道内的过冷沸腾流动进行实验研究,通过数字图像处理技术计算出空泡份额和界面面积浓度等界面参数的变化规律,并分析影响界面参数波动的主要因素。实验结果表明,矩形窄通道内汽液界面参数受摇摆运动影响产生周期性波动,且波动周期与摇摆运动周期相同。摇摆运动下空泡份额和界面面积浓度的波动主要受汽泡等效直径变化的影响。     

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明，汽泡在核化点生长时，汽泡底部与加热面存在一小的接触面，总体而言，汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下，不同核化点处汽泡生长规律基本相同，但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小，脱离时间较长，可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内，统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随入口欠热度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随主流速度的增加，汽泡平均脱离直径减小。     

起伏运动对矩形窄缝通道内汽泡直径分布的影响

为进一步探明起伏条件下过冷沸腾两相流相分布特性,采用高速摄像技术和数字成像分析技术,对静止和起伏条件下窄缝通道内汽泡进行可视化实验研究.实验结果表明:随着起伏频率增加,各相位间流道内汽泡直径变化增大.在相同的起伏条件下,增加质量流速将减小各相位间汽泡直径波动幅度.文中给出汽泡平均直径随起伏运动波动幅值的预测关系式,预测结果平均相对偏差为±19.1％.     

起伏运动对加热壁面汽泡受力的影响分析

分析起伏运动条件下过冷沸腾垂直上升流中壁面汽泡的受力,研究垂直方向加速度的变化对壁面汽泡浮力的直接影响,以及垂直方向加速度的变化引起系统流量的波动对汽泡受力的间接影响.起伏运动条件与静止条件下汽泡受力的对比计算分析表明,起伏运动对自然循环回路中汽泡受力的影响大于强迫循环下的影响;起伏运动对自然循环的影响取决于流量的波动...     

摇摆条件下单相水强制循环阻力特性实验研究

常温常压下,以去离子水为工质,对摇摆条件下当量直径为5.58mm的有机玻璃矩形通道内流动阻力特性进行了实验研究。结果表明：摇摆条件下摩擦阻力系数随时间周期性波动,波动周期等于摇摆运动周期。雷诺数越小,摇摆运动的周期越小,最大摇摆角度越大时,实验段摩擦阻力系数波动幅值越大。通过π定理推导和大量实验数据的拟合,得到了计算摇摆条件下瞬态摩擦阻力系数的经验关系式。     

矩形窄缝通道内汽泡脱离直径可视化研究

以去离子水为介质,研究热流密度、入口过冷度和质量流速等热工参数对矩形通道内汽泡脱离直径的影响。主要参数如下:主流流体流动方向分别为竖直向上和纵倾45o,压力为0.16 MPa,质量流速G=300~700 kg/(m2.s),热流密度q=27.6~228.3 kW/m2,入口过冷度ΔTsub=20~40℃。研究发现,热流密度和入口过冷度对汽泡脱离直径的影响不明显;随着质量流速的增大,汽泡脱离直径明显减小。     

周期性力场作用下气泡径向附加力分析

本文详细推导了气泡受周期性力场影响的数学模型，分析了各种惯性力和浮力对气泡径向受力的影响。分析发现，摇摆产生的周期性惯性力中切向惯性力起主要作用，在摇摆台处于最大摆角时达到最大，法向惯性力和科氏惯性力对气泡的作用可忽略。摇摆角度增大、摇摆周期减小及气泡距实验段入口距离增大均会造成气泡所受径向周期性惯性力波动幅值增大。考虑到摇摆造成气泡所受浮力的周期性变化，浮力的波动幅值远大于周期性惯性力的波动幅值。此外，气泡受力波动幅值随气泡尺寸的增大显著增大，与气泡变形无关。     

过冷流动沸腾中汽泡脱离直径的理论研究

汽泡脱离直径模型是壁面沸腾计算中的一个重要子模型。为了正确预测过冷流动沸腾中的壁面传热情况,研究结合新改进的汽泡生长模型,采用力平衡方法对过冷流动沸腾中的汽泡脱离直径进行了模拟。汽泡生长模型同时考虑了微液层、过热层和汽泡顶部过冷液体层对汽泡生长所做的贡献,并采用饱和沸腾与过冷沸腾2个实验对其进行了验证,结果表明预测曲线与实验值吻合良好。另外,选取了3个过冷流动沸腾实验来验证汽泡脱离直径模型,模拟结果均在可接受的误差范围内。      

Experimental and theoretical analysis of bubble departure behavior in narrow rectangular channel

Visual experimental study focusing on bubble growth and departure behaviors in a narrow rectangular channel was carried out in this paper. Deionized water was used as working fluid, and the experiment was performed at atmospheric pressure. The cross section of the narrow rectangular channel is 2 mm × 8 mm. A high speed digital camera was applied to capture the behaviors of bubble growth and bubble departure from the nucleation site. The bubble departure diameter, bubble inclination angle, upstream contact angle, downstream contact angle and bubble contact diameter were obtained according to the observation. An analysis of force balance on a growing bubble was performed to predict the bubble departure diameter in the narrow channel, and the effect of bubble interface parameters on the prediction of bubble departure diameters was discussed in this paper. The result of predicted model agrees well with the experimental result with a maximum relative deviation less than 25%. According to the study proposed in this paper, the mechanism of bubble departure from a nucleation site can be explained based on the force balance analysis of a growing bubble, and the major forces dominating the bubble departure are the buoyancy force, surface tension force and quasi-steady drag force.     

摇摆对过冷沸腾相分布特性的影响机理分析

采用双探头光学探针测量了摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡份额、界面面积浓度及汽泡尺寸等局部相界面参数径向分布特性，根据实验及计算结果，从汽液相界面作用力角度对摇摆运动条件下过冷沸腾相分布机理进行了分析。结果表明：摇摆条件下，浮力径向分量、升力、湍流分散力和壁面润滑力量级约为10³ N/m³，附加惯性力与其余诸力相比小2～3个量级。因此摇摆条件下过冷沸腾相分布特性主要取决于周期性波动的升力、湍流分散力、壁面润滑力及浮力径向分量之间的平衡关系。     

摇摆条件下两环路自然循环回路特性分析

在海上小型堆设计中,需要考虑海洋运动条件对热工水力特性的影响。本文建立了海洋运动条件下的附加惯性力模型,并将该模型应用于RELAP/SCDAP程序中,得到了适用于海洋运动条件下的系统分析程序,利用修改后的RELAP5程序,分析了在摇摆条件下自然循环回路的热工水力特性。分析结果表明,摇摆条件下,自然循环回路的平均流量小于静止条件下的自然循环流量,环路流量波动滞后于横摇运动,冷却水温波动滞后于环路流量波动,摇摆幅值越大,频率越高,流量波动幅值越大。当摇摆较剧烈时,环路上出现倒流现象。增加加热功率或提高冷热源之间高度差可增加系统的自然循环驱动力,减小横摇运动对自然循环的影响。     

Numerical simulation on single bubble behavior during Al2O3/H2O nanofluids flow boiling using Moving Particle Simi-implicit method

In this study, regression analysis on the thermal properties of Al₂O₃/H₂O nanofluids was made firstly. The growth and departure of a single bubble behavior in Al₂O₃/H₂O nanofluid and pure water flow boiling process were then numerically simulated by an improved Moving Particle Semi-implicit method in different flow boiling conditions. The results indicate that the bubble in Al₂O₃/H₂O nanofluids grows faster and the bubble departure frequency of Al₂O₃/H₂O nanofluids is greater than that in pure water. The flow boiling heat flux is also improved by dispersing nanoparticles of Al₂O₃/H₂O in pure water. This work initially reveals that nanofluids can enhance flow boiling heat transfer from the point of view of bubble dynamics behavior. The effects of nanoparticle concentrations and diameters of Al₂O₃/H₂O nanofluids on the bubble behavior were also investigated and compared under the same flow conditions. It is found that the increasing of nanoparticle volume concentration may increase the bubble departure frequency and departure diameter, while the increasing rates of departure frequency and departure diameter are lessened with the increasing of nanoparticle volume concentration. It is suggested that the suitable nanoparticle volume concentration of nanofluid for flow boiling heat transfer enhancement should not be too large, especially regarding the negative effect of flow resistance increase due to the increasing of nanoparticle volume concentration. The interesting finding is that in the same nanoparticle volume concentration condition, the bubble departure frequency for the nanofluid with nanoparticle diameter of 29 nm shows a maximum value. The increasing of nanoparticle diameter leads to the decreasing of bubble departure diameter. It is boldly to predict that an optimal nanoparticle diameter range between 20 and 38 nm should be beneficial to flow boiling heat transfer enhancement of Al₂O₃/H₂O nanofluids.     

摇摆参数对自然循环下波谷型脉动的影响

针对摇摆条件下自然循环波谷型脉动进行研究,构建了计算波谷型脉动的模型并进行了分析,计算结果和实验值符合较好。分析结果表明:对于摇摆运动下的波谷型脉动,在其整体流动波动过程中起主导作用的是摇摆运动引起的附加压降,而在波谷附近,由于产汽的影响,局部摩擦压降和重位压降交替主导流动,并最终诱发波谷处的流动不稳定性;摇摆振幅和频率越大,即摇摆程度越剧烈时,摇摆附加压降波动越剧烈,流量、壁温等热工参数变化越剧烈,波谷型脉动起始点对应功率也越低。     

水平矩形小尺度通道气泡脱离直径预测模型

为预测水平矩形小尺度通道内气泡脱离直径，以研究其泡核沸腾传热特性，采用力学方法对加热壁面附壁气泡进行力学分析，构建了一种基于受力平衡的气泡脱离直径预测模型。采用可视化实验的方法对其进行验证，结果表明，模型预测结果与实验数据之间的平均相对误差为±13.52%，该模型具有良好的气泡脱离直径预测准确度。