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。     

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.     

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.     

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.     

开孔金属泡沫池内沸腾换热特性研究

常压下用去离子水作为工质,在沸腾池底部单独或两两叠加地放置3种PPI的泡沫金属进行池内沸腾实验研究;分析了不同过热度下的热流密度和不同热流密度下池沸腾的传热系数;对沸腾汽泡在单层或双层泡沫金属表面产生、融合和脱离进行了可视化的研究。实验发现:不同PPI泡沫金属的叠加方式,会影响沸腾传热面积和产生汽泡的核心数,以及汽泡脱离受热壁面的动态特性。本实验为多孔介质池沸腾传热特性研究提供了实验指导和基础数据。     

液态金属软表面池沸腾传热的实验研究

池沸腾是一种高效的传热方式,目前主要通过刚性固体表面改性强化沸腾传热.本文以乙醇为工质,实验研究了光滑铜表面和液态金属软表面池沸腾传热.发现液态金属软表面可有效降低沸腾起始点(ONB)壁面过热度,饱和沸腾时, ONB壁面过热度从光滑铜表面的约18℃降低到软表面的约6℃,沸腾传热系数最大提高了149%.与光滑铜表面相比,液态金属软表面增加了汽泡核化穴数量,减小了汽泡尺寸,提高了汽泡脱离频率.观察到软表面弹性毛细波和汽泡射流现象.弹性毛细波增强了壁面热边界层热质传递.发现汽泡脱离过程中,汽泡尾部在液态金属薄层内形成残余核化穴,残余核化穴快速长大,与上升的大汽泡聚合,形成汽泡射流现象.弹性毛细波及汽泡射流解释了液态金属软表面强化池沸腾传热的机理.     

载气蒸发气-液两相流传热特征与过程模拟

本文首先说明了载气蒸发气-液两相流传热特征,并以载气与沸腾液体相接触时液体向载气泡内快速汽化所产生的“界面汽化热阱”说明了其对传热的强化作用;进而建立载气蒸发过程流体流动与传热的数学模型,并进行了模拟计算。     

异质原子对液体气泡成核影响的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了池沸腾中液体层加入异质原子对气泡成核的影响.分析了异质原子能量参数对液体起始气泡成核时间和温度的影响及其机理.结果表明,当异质原子能量参数小于液氩能量参数时,液体起始气泡成核时间缩短,起始温度降低.当异质原子剂能量参数大于液氩能量参数时,液体起始气泡成核时间增加,起始温度升高.异质原子在壁面上的吸附及在液体中的扩散行为影响固液界面性质,较大能量参数的异质原子扩散系数较小,更多能量参数较大的原子吸附在固体表面上使得壁面势能壁垒增加,导致沸腾时间延迟,液体需要吸收更多的热量克服势能壁垒,进而提高沸腾起始温度.能量参数较小的异质原子扩散系数较大,异质原子更容易分散到液体中,使得壁面附近液体层势能减小,液体层更容易气泡成核行为.     

喷雾冷却相变传热的建模与模拟计算

喷雾冷却是一种高效的热控技术,为了探索形成完善的喷雾冷却技术设计流程,文章开展了喷雾冷却传热过程的建模研究.针对喷雾冷却传热过程的模拟计算,基于喷雾冷却相变传热的4个传热机制:液膜对流传热、池沸腾传热、二次气泡沸腾传热、二次气泡高频化机制,利用Monte Carlo方法描述了不同粒径与速率分布的液滴撞击液膜并生成二次气泡的过程,通过液态介质中气泡生长速率的解析计算模型考虑了气泡的生长过程,并结合模化气泡与气泡之间、液滴与气泡之间、气泡与液膜之间的干涉行为描述了气泡的演化过程,通过综合液膜单相对流与气泡相变传热,发展了喷雾冷却相变传热模拟计算方法.基于喷雾冷却实验台开展了稳态喷雾冷却实验,实验校核结果表明,计算方法能够较好地模拟喷雾冷却相变传热性能.另外还分析了影响本方法计算精度的两类因素.      

微重力池沸腾传热实验研究

本文实验研究了平板加热面FC-72液体的准稳态池沸腾传热现象,利用地面常重力实验、SJ-8卫星搭载微重力实验等手段,分析了不同重力、压力及过冷度条件下平板加热面上的池沸腾传热特性.微重力条件下,相近压力或过冷度时,传热系数和CHF随过冷度或压力增大而增大.相对常重力,传热曲线明显变缓,沸腾起始时的壁面过热度降低,CHF仅为常重力的40%或更低.     

格子Boltzmann方法模拟气泡生长脱离

格子Boltzmann方法具有微介观的特性,能够自动捕捉和追踪界面,在多相流领域有广阔的应用前景。对于伴有气液相变的传热问题,格子Boltzmann方法已有模型较少,其中有一部分是通过质量变化间接反映相变过程,不能真实反映温度场的演化和影响。本文采用了模拟多相流动和分离的自由能模型,结合基于Stefan边界的相变传热模型,考虑壁面自由能对流体与壁面间润湿性的影响,模拟了静态接触角、过热壁面的气泡生长和脱离,并进行了更接近真实沸腾过程的随机生成气泡的模拟,以及流动沸腾的气泡生长和脱离的模拟。     

液气相变界面间断关系浅议

对池沸腾传热现象局部传递过程的细致分析(例如微重力池沸腾传热研究文献中关于热毛细效应作用及其成因的各种相互冲突的观点),涉及汽液相变界面两侧的间断关系.相变(蒸发或凝结)过程的非平衡性导致相界面两侧物理量对经典平衡态热力学中的相界面关系的偏离,分子动理论比拟模型、统计率模型和非平衡热力学模型均给出了相关描述,本文对此进行了详细评述,指出了各模型的优缺点,并对进一步的研究方向进行了讨论.     

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.     

常压下液氮窄缝池沸腾实验研究

采用玻璃钢 (FRP)制成的矩形窄缝 ,对三种不同的间隙尺寸 ,分加热面与水平面呈 0°,4 5°,90°,135°,180°五种角度 ,以液氮为工质进行了 15组池沸腾实验。得出结论 :液氮在窄缝中的沸腾传热有明显的强化换热效果 ;加热面所处角度不同 ,在相同热负荷下壁面过热度亦不同 ,滑移汽泡和微液膜蒸发机理在通道中发挥的作用也相应不同。该研究对于有限空间传热强化的机理和实际应用都有一定的参考价值和指导意义。     

水平矩形槽道表面的沸腾传热

强化沸腾传热的加工表面力求性能优异,制造方便,易于推广使用。槽道表面满足这样的要求。鉴于以往的研究甚少,本文对水平矩形槽道表面的池沸腾传热进行了实验研究,探求几何因素的影响,整理出传热准则方程,寻求最佳槽道尺寸,并对强化机理作了初步的探索。 一、槽道表面的沸腾传热分析 同平表面沸腾一样,槽道表面的沸腾传热仍可分为自然对流,泡底微层液膜蒸发及汽、液交换传热等传输方式。因为汽泡受到槽壁的挤压只能紧贴壁面生长,而且沿槽道长     

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).     

用强化构造强化沸腾传热的实验及可视化研究

重点研究的是水和乙醇在放置了强化元件的光滑铜表面上的池核沸腾传热性能。该强化元件对部分加热表面上方的空间进行限制,使液体存在的空间就被分为交替存在的受限空间和自由空间。本研究中所探讨的主要参数是热通量(13～400 kW/m~2)和受限空间尺度(0.2 mm,0.5 mm,无限制结构)。实验结果表明,对水和乙醇而言,这样的强化元件都可获得良好的沸腾传热特性.可视化结果表明,几乎所有有效核化区域都在受限空间内,即使在高过热度下自由空间内也很少出现有效核化点。     

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.