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亲疏水性对池沸腾传热影响的格子Boltzmann方法研究

龚帅  
【摘要】:微尺度沸腾传热机理及其强化技术的研究已经成为目前国际传热界关注的热点。汽-液-固三相接触线区域的表面润湿特性(即亲疏水性)是强化微细尺度传热的关键。然而,采用实验方法研究亲疏水性对沸腾传热的影响时难以避免粗糙度等的干扰,使得实验结论受到质疑。现存的宏观数值模型则存在不能研究沸腾汽泡成核过程等缺陷。针对这些问题,本文提出一个基于介观格子Boltzmann方法的汽液相变数值模型并采用该模型研究亲疏水性对池沸腾传热的影响。具体的研究内容包括:1.改进的格子Boltzmann方法两相流模型研究。在Shan-Chen模型的基础上,提出一个新的粒子间作用力形式并结合精确差分法引入作用力,构建了一个改进的格子Boltzmann方法两相流模型。这一模型可以显著改善数值精度和数值稳定性,而且能避免数值结果对松弛时间的非物理依赖。为了验证模型的可用性,采用该模型研究了液滴在具有润湿梯度的表面上的运动、合并以及分裂行为,探讨了液滴在润湿梯度驱动下的运动机理。2.基于格子Boltzmann方法的汽液相变模型研究。在本文提出的改进的格子Boltzmann方法两相流模型基础上,引入能量方程模型,推导了能量方程源项表达式,构建了一个基于格子Boltzmann方法的汽液相变数值模型。该汽液相变模型不需要精确追踪界面,汽液相变通过由真实气体状态方程所决定的热力学关系(即压力、温度和密度的关系)实现。作为一种真正意义上的汽液相变直接数值模拟方法,该模型在计算沸腾问题时不需要初始化存在小汽泡,可以模拟包含成核过程在内的整个汽液相变过程。应用该模型,研究了微加热器(点热源)上的池沸腾传热过程。数值结果表明微加热器可能呈现出与宏观加热面不同的池沸腾特性。首次通过数值模拟得到了成核时间、成核温度等沸腾成核过程中的重要信息,并研究了亲疏水性对微加热器上池沸腾过程的汽泡成核时间、成核温度等的影响。3.纯亲水/疏水表面上润湿性对池沸腾传热的影响研究。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相变模型研究了光滑的纯亲水/疏水表面上的池沸腾传热。模拟中采用有限厚度的加热面,即考虑了加热面中的导热过程。数值结果表明,饱和池沸腾中汽泡脱离直径随接触角和过热度的增加而增加。亲疏水加热面存在明显不同的汽泡脱离形态:在亲水表面上整个汽泡脱离加热面而疏水表面上汽泡脱离时会留下一个小汽泡作为下一个汽泡周期的成核点。因而,亲水表面上的汽泡周期中存在等待阶段(waiting period)而疏水表面上的汽泡周期中则不存在等待阶段。疏水表面上的这一汽泡脱离形态有利于提升沸腾传热量。数值结果还表明亲疏水表面存在不同的沸腾传热机理:亲水表面上整个汽泡下方存在一个微液层,微液层的蒸发(microlayer evaporation)是重要的传热机理;疏水表面上汽泡下方不存在微液层(随着壁面润湿性的减弱,也就是随着接触角的增加,微液层会逐渐消失),三相线区域具有最低的局部温度和最高的局部热流密度,汽-液-固三相接触线区域的传热(three-phase contact line heat transfer)是重要的传热机理。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相变模型,首次通过数值模拟得到了亲疏水加热面上从自然对流区经核态沸腾区、过渡沸腾区直至膜态沸腾区的沸腾传热曲线,捕捉到了沸腾曲线上的核态沸腾起始点(ONB)、临界热流密度点(CHF)和Leidenfrost点。4.亲疏水混合表面对池沸腾传热的强化研究。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相变模型研究了光滑的亲疏水混合表面上的池沸腾传热。采用数值模拟,可以排除粗糙度的干扰而单独研究亲疏水性的作用,揭示亲疏水混合表面对池沸腾传热的强化机理。模拟结果表明,亲疏水混合表面上的疏水区作为汽泡成核点,可以有效促进汽泡成核并提高沸腾传热量。亲水区则可以限制疏水点上汽泡基圆直径(或三相接触线)在加热面上的铺展,从而有望提高临界热流密度。在亲疏水混合表面上,存在汽泡成核的疏水区域的局部热流密度高于不存在汽泡成核的亲水区域的局部热流密度。另外,存在一个使得沸腾传热量最高的最优疏水点间距,这一间距和成核点之间的相互作用有关。进一步增加疏水点间距将减小汽泡脱离频率,进一步减小疏水点间距会导致相邻成核点之间的抑制作用,从而都会降低池沸腾传热量。本文的工作为汽液相变数值模拟开拓了新的研究思路,阐明了加热面润湿特性(亲疏水性)对池沸腾传热的影响,揭示了亲疏水混合表面的沸腾传热强化机理,为通过改变加热面润湿特性强化沸腾传热提供了重要的理论依据。


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