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饱和液氮爆发沸腾实验与理论研究

董兆一  
【摘要】:饱和液氮瞬态爆发沸腾研究是对传统沸腾研究的新突破,同时也是超导应用、液氮汽车等诸多高新技术领域中的关键性应用基础理论研究,具有重要的科学意义和实用价值。 本课题旨在通过新的研究方法和手段从新的视角揭示液氮乃至低温液体工质在瞬态高热流冲击下所表现出的超常沸腾行为、影响规律、以及传热过程特性,填补国内在该领域研究的空白,同时为实际应用提供重要技术指导。主要研究内容分为以下几个方面: 1.在国内首次建立了饱和液氮爆发沸腾实验台。采用脉冲激光提供瞬态高强度热流,利用特制的铂金属薄膜试件吸收激光能量,并对周围的液氮工质进行加热,从而实现爆发沸腾。采用单次曝光、多次重复的高速摄影方法对微秒量级饱和液氮爆发沸腾现象进行了可视化观测研究,并实现了微秒量级温度场的瞬态测量。该实验系统是目前国内外爆发沸腾可视化研究中最为快速的实验台之一。 2.饱和液氮爆发沸腾具有鲜明的特点:其形核过程非常短暂、剧烈,表现为空间沸腾现象;微小空间中骤然出现大量微小汽泡,与夹杂的液相工质组成复杂的汽液混合物——汽泡群,这是爆发沸腾的重要形态特征;同时,加热表面上方还会出现由爆发沸腾向常规核态沸腾的过渡,通过转变时间这一特征参量能够对两种沸腾形态进行划分。实验发现爆发沸腾发生时的加热温升速率阈值为10~7K/s量级,并对爆发沸腾的评价体系以及转变时间的意义进行了分析。 3.将饱和液氮爆发沸腾与常规核态沸腾以及过冷工质爆发沸腾进行了对比分析,揭示了它们之间的本质区别。结果表明,常规核态沸腾中描述汽泡行为的特征参数不完全适用于爆发沸腾。是否存在沸腾形态的转变以及汽泡群持续时间的长短是饱和爆发沸腾与过冷爆发沸腾的重要差别。 4.加热方式、加热表面特性对饱和液氮爆发沸腾过程有重要影响。更高的热流密度和更长的脉冲宽度,会使饱和液氮爆发沸腾更加剧烈,转变时间推迟。可以用热流密度和加热脉宽的乘积,即输入总能量作为加热方式影响作用的综合评价指标。此外,当加热表面特性有利于吸收激光能量,有利于向周围液体


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