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《上海交通大学》 2018年
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多因素下池沸腾换热的格子Boltzmann数值研究

张朝阳  
【摘要】:池沸腾换热是一种有效的热量传递方式,可以满足日益增长的高热流密度设备散热要求,如何强化沸腾系统的换热能力,成为目前国际传热学界的研究热点。影响池沸腾的因素众多,机理复杂,通过数值模拟方法对沸腾进行多尺度分析是研究沸腾相变换热的新兴途径。基于S-C伪势模型的格子Boltzmann汽/液相变模型被证明在模拟沸腾、冷凝等汽液相变过程具有一定优势。本文采用改进的Gong-Cheng相变格子Boltzmann(LBM)模型以及新提出的多组分汽/液相变模型,对池沸腾过程的完整过程进行连续模拟,得到连续的沸腾曲线,并考虑了多种因素包括液体过冷度、加热面润湿性与大小、加热方式、饱和温度以及不凝气等对池沸腾换热的影响,此外还模拟了表面微结构上的液膜蒸发与沸腾现象。本文具体的研究内容包括:LBM相变模型以及改进和发展。基于传统的显式格式提出了半隐式的演化格式用于提高多相流稳态计算中的收敛速度,对Gong-Cheng相变模型的传热方程中的源项进行推导并修正,于单组分的相变模型基础上提出了多组分多相的相变格子Boltzmann模型用于计算有其它组分存在的相变过程。饱和状态下的池沸腾研究。采用改进的相变LBM模型研究了饱和状态下的池沸腾现象和沸腾曲线,考虑了诸多因素如加热面润湿性、加热面大小、加热方式、饱和温度等对沸腾各个阶段的影响,还进一步研究了逐渐加热和冷却过程中产生的沸腾迟滞现象。结果表明:加热面大小对饱和池沸腾的影响分三种情况,首先加热面尺寸较大时对池沸腾影响很小,当其小于转折点时CHF随加热面减小升高,最后曲线上无法区别核态沸腾和膜态沸腾阶段;控制热流密度和控制壁面温度两种加热条件下的沸腾曲线区别主要在于过渡沸腾区,控制热流条件下会出现明显的沸腾迟滞现象,但是控制壁温条件下只在疏水表面上出现了沸腾迟滞;不同饱和温度和壁面润湿性下核态沸腾阶段的池沸腾曲线和Rohsenow提出的经典理论热流计算公式吻合很好,并表明所研究宏观因素对核态沸腾阶段曲线影响不大。过冷状态下的池沸腾与Marangoni效应。采用改进的相变LBM模型研究了过冷池沸腾中的沸腾曲线,考虑了汽泡周围的Marangoni效应、润湿性以及过冷度的影响。结果表明:过冷沸腾中,过冷度越大时汽泡脱离直径越小、成核周期越长;增大过冷度导致自然对流阶段和核态沸腾初期的换热系数升高,而且造成沸腾的CHF增大,但是对于ONB的初始成核过热度和充分发展的核态沸腾阶段和膜态沸腾阶段没有明显影响。由于Marangoni效应的影响,汽泡在热毛细对流影响下会向高温侧壁面移动,最终与壁面接触并达到平衡状态,换热系数随着Marangoni数增加而增大但增大速率变缓。含有不凝气体的池沸腾与模型验证。采用新发展多组分相变格子Boltzmann模型,对含有不凝气的池沸腾过程进行了初步探究,模拟过冷水平板上凝结过程与理论结果对模型进行验证。结果表明:不凝气的存在影响了加热面上汽泡的成核和生长过程,提高了核态沸腾初期的换热系数,而稳定发展之后的核态沸腾及之后过程,低浓度的不凝气对沸腾曲线影响很小;随着入口不凝气浓度的提高,平板上冷凝液膜厚度减小,汽液界面温度降低,两者之间的拟合关系与Sparrow等理论分析得到的关系式相符,这证明了本文发展的多组分两相模型在对含有不凝气的相变过程进行数值计算的正确性。微结构表面的液膜蒸发与沸腾。采用单组分的相变模拟了汽/液界面上的传热传质过程,和经典的Kucherov-Rikenglaz方程进行验证;采用单组分模型模拟了三维微结构表面上液膜的蒸发和沸腾动态过程,分析了液膜在不同润湿性表面及不同热流下的界面变化与传热机理过程。结果表明:随着热流密度增大,在亲水性强表面的液膜中会出现固定的或者周期性生长破裂的沸腾汽泡,随着热流持续增大中间液膜发生干涸,而液膜在亲水性弱的表面会随着热流增大直接断裂干涸。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TK124

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【参考文献】
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1 龚帅;亲疏水性对池沸腾传热影响的格子Boltzmann方法研究[D];上海交通大学;2015年
【共引文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张磊;亲疏水表面相变传热的智能调控研究[D];中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所);2019年
2 张朝阳;多因素下池沸腾换热的格子Boltzmann数值研究[D];上海交通大学;2018年
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