水平环形窄缝流道内流动过冷沸腾换热机理的理论和实验研究

论文摘要

本文研究了水平环形窄缝发生过冷流动沸腾时的换热性能,分析了影响过冷沸腾换热的因素,得到了关于以蒸馏水为传热工质时的经验关联式。通过和单相对流换热关系式的比较,发现环形窄缝过冷流动沸腾换热能力显著增强。本文尝试采用理论分析的方法来得到关于水平环形窄缝流道流动过冷沸腾的半经验关系式。本文利用作者自主设计安装的可移动多功能热工实验装置,以蒸馏水为工质,采用低电压大电流直接加热方式,首次完成了在全程可视环境下,对低压下水平环形窄缝中过冷流动沸腾换热及其气泡行为等问题进行了实验研究。在实验的基础上分析了影响过冷沸腾换热效率的各种因素。实验结果表明:在实验参数范围内,过冷沸腾换热系数随着主流过冷度的降低而升高,随着窄缝宽度的减小而增加,随着壁面热流密度的增加而增加。质量流速对过冷沸腾换热系数的影响比较复杂,流速的增加对换热系数的影响并不总是正向的。过热度和系统压力的影响较小。通过可视化观察,结合实验结果及理论分析发现,在发生过冷沸腾窄缝流道内,不同阶段的主要的强化机理是不同的。根据机理的不同大致可以分为三个区域:在ONB点后的一段高过冷区域里,汽泡核化导致换热强度比单相对流有所增加,观察到的特征是气泡非常微小,甚至肉眼很难识别,更别说脱离了;随着气泡的逐渐增多、长大,气泡开始逐步脱离加热面,此时,气泡的频繁脱离进一步增加了换热强度,观察到的特征是肉眼可以看到大量气泡快速生成、脱离、破裂;在FDB点前后,变形气泡使得紧贴加热壁面的过热微液膜变薄,极大地强化了换热,观察到的特征是气泡较大,气泡密度增加,扰动剧烈,甚至可以观察到气泡的碰撞、融合等现象。这三种机理并不是绝对单独存在,可以以某种规律组合在一起起作用。在上述实验结果和分析的基础上,对实验数据进行多元回归,得出了计算过冷沸腾换热系数的经验关联式。本文提出,在准则方程中应考虑环形窄缝流道的几何特征对流动换热的影响,加入了无量纲流道形状因子,通过比较拟合方程的统计学指标发现,加入无量纲流道形状因子后,拟合方程的相关性指标大大增加,最大拟合残差有显著减小,证明了加入无量纲流道形状因子的合理性。得到的公式为: Nu = 8 .456Re1.045Ncconf0.493Bo1.045Pr-0.812s*0.125通过对过冷流动沸腾的全程可视化观察发现,与其他形状的流道相比,水平环形窄缝流道中的气泡行为有明显的上下分区现象。气泡首先在流道的底部生成,顺着水流方向逐渐弥满整个加热表面。气泡的其它行为特征,如脱离频率、脱离半径、滑移和融合的程度都随着位于流道上部和下部而不同。本实验的实验参数为:系统压力0.150.21MPa,质量流量G =55.4515.6kg/（m2·s）;热流密度q=49.843-303.16kW/ m2,水的入口过冷度Δtsub=4060℃,窄缝流道宽度s=2-3mm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 窄缝通道内沸腾换热研究现状
• 1.2.1 气泡动力学
• 1.2.2 两相流空泡份额
• 1.2.3 两相流流型及其转变
• 1.2.4 两相流流动压降
• 1.2.5 两相流特征点
• 1.2.6 流动沸腾传热及其强化机理
• 1.3 本课题的研究内容
• 2 实验装置和实验方法
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 实验段
• 2.1.2 实验测控系统
• 2.2 实验方法及过程
• 2.2.1 可视化方法
• 2.2.2 实验流程
• 2.3 本章小结
• 3 实验数据的处理
• 3.1 本实验用到的准则数简介
• 3.2 工质水的热物理性质
• 3.3 实验数据的处理
• w'>3.3.1 壁面热流密度q_w
• w,i,j'>3.3.2 实验段流体侧壁面温度T_w,i,j
• 3.3.3 工质质量流速G
• 3.3.4 过冷流动沸腾换热系数
• 3.4 数据误差控制
• 3.5 本章小结
• 4 实验结果及分析
• 4.1 壁温分布曲线
• 2·℃'>4.2 过冷流动沸腾换热系数h W/M²·℃
• 4.3 与单相对流传热的比较
• 4.4 流动沸腾传热的机理分析及准则数关联式
• 4.4.1 现有文献推荐的关联式
• 4.4.2 本文提出的新的关联式
• 4.5 汽泡行为
• 4.6 沸腾换热机理研究
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢