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冰颗粒在溶液中上升过程的行为研究

穆建树  
【摘要】:固液相变现象是自然界和工程技术领域中的一种常见现象,研究固液相变过程的传热规律对于控制和有效利用固液相变传热具有重要的价值。运动颗粒的传热规律是固液两相流尤其是稀疏两相流研究领域中令人关注的课题。 本文运用理论分析和实验研究相结合的手段,来分析研究一个简化的模型——冰颗粒在溶液中自然上升过程——的行为,包括颗粒冰在溶液中的运动规律、融化规律、固液界面处的传热规律以及相界面的变化规律。 在总结前人经验的基础上本文对冰颗粒在溶液中自由浮升这一物理现象进行了理论建模,建立了颗粒的运动微分方程、固液相变的传热方程以及流场控制方程,并且用四阶Runge-Kutta法对运动微分方程进行了数值求解。 实验中,用称重法(测量颗粒上升前后质量差的方法)来测定颗粒的融化速率和表面换热系数,并且将高速摄影技术运用于相变传热过程的研究中,用高速摄像机观察并记录了颗粒在溶液中的上升过程,采用照相法分析了颗粒的融化速率,尝试了将数字图像处理技术运用于相变传热分析领域。 结果表明:球形冰颗粒在水中以螺旋状方式上升,与此同时自身不断的做蹒跚状翻转自旋运动。说明固液两相速度不一致时,分析固相颗粒的运动不可忽视其受的横向力和横向运动。对于冰颗粒融化规律的研究表明颗粒相对于流体的运动速度与流体的温度在影响颗粒融化速率上有着同等重要的地位,照相法分析颗粒融化速率得出的结果与称重法测定的结果吻合较好。说明数字图像处理技术可以用于相界面分析领域。在不同Pr数下,实验测定了Nu-Re数变化趋势较前人提出的经验公式计算出的结果在数值上稍高,但变化趋势基本上吻合。说明本文实验采用的测量方法可行,也说明对于固体颗粒在液体中运动过程的传热问题可以采用经验公式进行预测。但在颗粒尺寸较大的情况下,必须考虑颗粒的横向和自旋运动对颗粒表面传热过程的强化影响。颗粒在溶液中上升过程的融化过程是朝着保持自身球体外形的趋势进行的。


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