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核态池沸腾中近壁面汽泡动力学特性对传热的影响

张璐  
【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。


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