核态池沸腾中近壁面汽泡动力学特性对传热的影响

论文摘要

核态沸腾因其具有高效的换热系数和广泛的工程生产与高科技应用背景而成为传热学科的前沿领域之一。由于核态沸腾现象的复杂性,以换热性能为核心的传统沸腾理论已经难以揭示沸腾中的新现象和物理机制,需要从动力学特性研究出发,构建新的核态沸腾理论框架。汽泡动力学特性研究对于揭示沸腾机理具有重要意义。本文针对汽泡生长过程与汽泡间的相互作用开展了理论建模分析与可视化实验观测研究,试图从理论上对核态沸腾中近壁面汽泡生长过程作进一步探讨,从实验上观测汽泡生长特性和基于多个汽泡间相互作用的汽泡动力学特性。汽泡生长模型包括了壁面区域并耦合了固液界面处的微液层蒸发过程,研究表明过冷度和壁面过热度对汽泡生长速率和传热特性均有显著影响:汽泡生长速率随着液体过冷度增大而降低,随着壁面过热度增大而增大;过冷度只对汽泡界面处的传热有影响;壁面过热度对汽泡界面处的传热和微液层蒸发传热均有影响。接触角越大,汽泡生长速率越快,但传热量在接触角约为60°时最大。此外,同等条件下热扩散系数大的固体表面上汽泡生长速率要大于热扩散系数小的固体表面上的汽泡生长速率。汽泡生长特性的可视化观测研究表明,过冷度较小的条件下,汽泡在生长过程中基本保持球形,当过冷度较大时,汽泡界面发生明显波动,汽泡在生长过程中长大和收缩交替出现。乙醇汽泡具有良好的滑移特性,乙醇汽泡离开最初生长的核化点后可以在壁面上四处滑移,继续吸收壁面的热量,在滑移中长大直到脱离加热壁面。当汽泡间的距离小于3倍的汽泡脱离直径时认为汽泡间存在相互作用,当汽泡间距小于2倍的脱离直径则处于汽泡间水动力作用与核化点热作用互相竞争的区域。接近饱和沸腾条件下,相邻核化点脱离的汽泡之间可以在竖直方向上发生一次合并、二次合并甚至三次合并。汽泡间还有可能相继发生水平方向合并与竖直方向合并。大小不同的汽泡间还可能发生倾斜方向合并。乙醇汽泡在滑移过程中可能发生合并现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 应用背景
• 1.1.2 研究演变
• 1.2 经典理论与研究现状
• 1.2.1 核化理论
• 1.2.1.1 均相核化理论
• 1.2.1.2 非均相核化理论
• 1.2.2 汽泡动力学
• 1.2.2.1 汽泡生长
• 1.2.2.2 汽泡从加热壁面脱离
• 1.2.2.3 汽泡合并
• 1.2.3 汽化核心的相互作用
• 1.2.4 核态沸腾换热机理
• 1.2.4.1 对流类比模型
• 1.2.4.2 汽液交换机理
• 1.2.4.3 微液层汽化机理
• 1.2.4.4 复合模型
• 1.3 研究内容和目标
• 第2章 近壁面汽泡生长模型
• 2.1 引言
• 2.2 汽泡生长的物理模型
• 2.2.1 微液层
• 2.2.2 控制方程
• 2.3 数值求解方法
• 2.3.1 计算区域及网格划分
• 2.3.2 汽液界面
• 2.3.3 微液层模型耦合
• 2.4 计算结果与分析讨论
• 2.4.1 汽泡生长特性
• 2.4.1.1 汽泡生长曲线
• 2.4.1.2 温度场演变
• 2.4.1.3 固体内温度分布
• 2.4.1.4 传热特性
• 2.4.2 影响因素
• 2.4.2.1 液体过冷度
• 2.4.2.2 壁面过热度
• 2.4.2.3 接触角
• 2.4.2.4 固体物性
• 2.5 本章小结
• 第3章 汽泡生长特性的可视化观测
• 3.1 引言
• 3.2 可视化沸腾实验系统
• 3.2.1 实验系统介绍
• 3.2.2 实验方法与步骤
• 3.2.3 误差分析
• 3.2.3.1 测温误差
• 3.2.3.2 热流误差
• 3.2.3.3 图像处理误差
• 3.3 水蒸汽汽泡的生长特性
• 3.3.1 低过冷沸腾
• 3.3.2 高过冷沸腾
• 3.4 乙醇汽泡的生长特性
• 3.4.1 低过冷沸腾
• 3.4.2 高过冷沸腾
• 3.4.2.1 汽泡生长
• 3.4.2.2 汽泡滑移
• 3.5 本章小结
• 第4章 汽泡相互作用的可视化观测
• 4.1 引言
• 4.2 相邻两个汽泡的生长
• 4.3 汽泡合并
• 4.3.1 竖直方向合并
• 4.3.1.1 一次合并
• 4.3.1.2 二次合并
• 4.3.1.3 三次合并
• 4.3.2 水平方向合并
• 4.3.3 混合合并
• 4.3.4 倾斜方向合并
• 4.3.5 滑移合并
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 研究总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果