微重力下火箭推进系统液氧贮箱内气泡脱离半径研究

研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础.与常重力和低重力环境不同,微重力下Marangoni效应变得突出.为了求解气泡脱离半径,构建包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、黏性阻力和Marangoni力的气泡动力学模型.针对现有Marangoni力计算公式适用范围狭窄的问题,依托数值仿真方法,拟合得到了更精确的修正因子计算公式,进而扩充了Marangoni力计算模型的适用范围.使用运载火箭液氧贮箱常规工作压力0.3 MPa下的饱和液氧物性参数,计算得到气泡所受合力随半径的变化关系以及气泡脱离半径随重力的变化关系.结果表明,气泡的脱离行为可以由微重力区、过渡区和低重力区三个区域来划分.微重力区内可以形成厘米级甚至米级的大气泡,而低重力区内只能形成0.1 mm级的小气泡.相比之前的模型,本文模型可以同时适用于三个区,更全面地揭示了微重力下液氧贮箱内的气泡脱离特性,可以为液氧贮箱换热特性分析提供理论支撑.

喷嘴气泡脱离直径的计算

根据喷嘴气泡的蝌蚪形状特点,给出了物理模型.依此模型建立了力学平衡方程,导出了计算喷嘴气泡脱离直径的迭代公式.它包含了流体的重要物性参量、喷嘴直径以及气体流量,因此具有广泛的适用性.此式除与作者的实验相符外,还与其他研究者的实验在粘度、表面张力、喷嘴直径和气体流量的宽广范围内符合得很好.

侧吹气流穿透深度及气泡脱离频率模型实验

通过建立侧吹模型实验装置,对侧吹气体的穿透行为和气泡的脱离频率特性进行了实验研究。利用高速摄影仪记录了气体运动过程,并运用Matlab图像处理方法对实验所得气体穿透深度和气泡脱离周期等信息实现了自动提取。在实验结果的基础上,通过量纲分析法得出了本实验侧吹过程中气体在不同液体温度、气体流量条件下的无量纲最大穿透深度的经验公式,从而为讨论不同条件下侧吹气液两相间的反应速率以及搅拌强度等问题提供参考依据。

竖直加热通道内气泡脱离直径预测模型

气泡脱离是气泡蒸发中的一个自然现象,它通过扰动边界层的速度和温度来影响沸腾传热,对泡核沸腾传热影响重大。现有的气泡脱离直径模型往往非常复杂,需要开发专用程序进行计算,难以在大型CFD软件中直接嵌入使用,为解决这个问题,本文开发一种计算过程较为简便,易于CFD软件嵌入的竖直加热通道气泡脱离直径模型。本文采用受力平衡方法建立了竖直加热通道内气泡脱离直径预测模型,并采用盛金公式进行数学处理,获得气泡脱离直径的解析解,使模型得到简化,经与公开文献中的实验数据进行对比,结果表明,理论模型与实验数据之间的误差小于22.29%。

微重力下液氢流动沸腾的气泡脱离特性

以液氢流动沸腾时气泡的脱离为研究对象,通过对其切向和法向的受力分析,建立气泡脱离模型,并对实验数据进行验证。在该模型的基础上,研究重力加速度、流速、壁面过热度、表面张力以及压力对气泡的升起直径及滑移直径的影响。研究结果表明:该模型具有较高的计算精度;在低流速下,氢气气泡的升起直径随重力加速度的减小而逐渐增大;高流速下剪切升力的影响更为显著,重力加速度的变化对气泡升起直径的影响可忽略;气泡的滑移直径随流速的增大而减小。此外,在微重力条件下,由于浮升力作用的减弱,壁面过热度、表面张力及压力的变化对气泡升起直径的影响更为显著。

矩形通道内气泡脱离点数值模拟和实验研究

关于过冷流动沸腾气泡脱离点(或称充分发展沸腾起始点,FDB)的研究大多局限在实验研究,缺少预测气泡脱离点的数值模拟模型和方法.建立了数值模拟过冷流动沸腾气泡脱离点的数学模型,利用Fluent实现了对气泡脱离点的数值模拟,并且对矩形通道内的气泡脱离点进行了实验研究.为了验证数值模拟结果的准确性,分别对比了圆管、矩形通道内数值模拟结果和经典模型计算结果,并将双面加热矩形通道内数值模拟结果与实验结果进行对比.分析表明:根据本文模型,可以实现对过冷流动沸腾气泡脱离点位置的数值模拟,而且具有较高的准确度.源于圆管实验的Saha-Zuber模型和Bowring模型适用于双面加热矩形通道.

竖直通道内流动沸腾气泡脱离行为的数据驱动分析

为了研究过冷沸腾过程中气泡的脱离特性,基于统计学分析方法,利用公开发表的实验数据和经验关联式构建驱动分析数据库,运用有限混合模型和标准方差分解方法对竖直过热壁面上流动沸腾气泡脱离直径的影响因素进行数据驱动分析研究。将描述流动沸腾的量纲一参数组作为模型的输入变量,气泡脱离直径作为输出变量,采用Kullback-Leibler散度和χ2距离对于输入变量的敏感性程度顺序分别进行评估。初步的数据驱动分析结果表明:雷诺数和气液密度比对气泡脱离直径的影响最为显著,与传统方法取得的结果具有一致性,证明了数据驱动方法在分析物理问题上的可行性;在现有数据库的基础上,有限混合模型比标准方差分解方法更具一般性,可以直接基于数据库进行应用。

气泡脱离基板规律的数值模拟

气泡从基板上脱离的运动规律,对于研究核态沸腾的机理及相变传热有着重要意义。利用Level Set方法建立二维轴对称非稳态模型对该问题进行数值模拟,获得气泡在浮力、黏性力、惯性力与表面张力共同作用下的运动规律,分析不同Re数、Bo数和表面润湿性对气泡脱离基板规律的影响,并获得气泡从基板脱离时的临界参数。结果发现,当Re数增大,气泡上升的惯性力就增大,气泡越容易脱离;当Bo数增加,气泡会从完全脱离转变为部分脱离;随着表面润湿性的降低,气泡与基板的接触面积增大,气泡与基板及附近液体的作用力就增大,越难以脱离。

燃料包壳表面沉积层对气泡脱离直径与气泡脱离频率影响的实验研究

燃料包壳在压水堆运行中会形成表面沉积,其对包壳沸腾传热行为的影响机理尚不清楚。为探究包壳表面沉积层对气泡脱离直径和气泡脱离频率的影响规律,本研究基于常压下的流动沸腾可视化实验台架,采用包壳材料Zr-4合金为基板,对其进行逐层沉积得到不同厚度的SiO_(2)沉积层来模拟燃料包壳表面沉积。通过开展流动沸腾实验对气泡脱离直径和气泡脱离频率进行气泡动力学分析,关注其与壁面过热度的变化规律,并与现有预测模型进行对比。研究发现:相比没有SiO_(2)沉积层的表面,有SiO_(2)沉积层的表面气泡脱离直径和气泡脱离频率更大,同时壁面过热度的增高会引起气泡脱离直径变大并加快气泡脱离壁面,在相同条件下工质过冷度和雷诺数对于气泡脱离频率的影响比气泡脱离直径更大;提出了符合本实验所有工况条件下改进的气泡脱离直径预测公式,改进后的预测计算式预测值与实验值的误差小于30%。

气泡生长及脱离过程中下边缘的迁移行为

基于高速摄像技术记录静止液体中气泡生长及脱离过程,并采用Image-Pro Plus 6.0软件进行后处理,研究了两种管径下气泡生长过程的形状变化.实验结果表明:由于不同管径下气泡生长过程中起主导的作用力不同,导致小管径生成气泡的高宽比随时间变化呈先陡后缓的上升趋势,大管径生成气泡的高宽比随时间变化呈先缓后陡的上升趋势;由于生长前期不满足脱离条件,小管径生成的气泡会出现下边缘向液体侧迁移的现象;大管径生成的气泡在气液面与固液面夹角小于接触角时即达到脱离条件,因此不会出现迁移;3.80 mm气泡脱离上浮的临界高宽比稍大于9.28 mm气泡相应值.

水平矩形小尺度通道气泡脱离直径预测模型

为预测水平矩形小尺度通道内气泡脱离直径,以研究其泡核沸腾传热特性,采用力学方法对加热壁面附壁气泡进行力学分析,构建了一种基于受力平衡的气泡脱离直径预测模型。采用可视化实验的方法对其进行验证,结果表明,模型预测结果与实验数据之间的平均相对误差为±13.52%,该模型具有良好的气泡脱离直径预测准确度。

滞止流体中毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验

本文采用高速摄影仪对滞止流体中毛细管管口的气泡生长和脱离过程进行了可视化实验研究.实验结果表明:气泡生长脱离过程包括生长初期、快速生长期、缓慢生长末期等三个区域,气-液相界面的接触角随之产生相应的变化.随着毛细管管径的增大,气泡的脱离直径随之增大,生长脱离周期减小;气流量越大,气泡脱离直径越大,生长脱离周期越小;注气室容积变化对气泡的脱离直径影响很小,但随着注气室容积增大,气泡的生长脱离周期增大.

加热表面材质对核态沸腾换热影响的流-热耦合数值研究

不同材质的加热表面因其热物性参数存在差异,在沸腾过程中会表现出不同的热响应特性,对气泡成核、生长脱离也有一定影响。为深入探究加热表面热物性对单气泡沸腾过程中加热表面热响应与气泡动力学行为之间相互作用的影响机理,基于开源软件OpenFOAM,通过对微液层内传热传质过程进行分析,建立了包含传热、相变和流动的流-热耦合模拟框架。首先对铜、铝和硅表面上不同尺寸的汽化核心进行了单气泡沸腾模拟,结果表明,随着导热性能的提升,加热表面过热度下降,气泡等待周期缩短,同时随着汽化核心尺寸的减小,加热表面热物性对气泡等待周期的影响逐渐减弱。另外,对于覆有石墨烯涂层的铜表面,石墨烯涂层的存在增强了沸腾表面热量的横向扩散,由于基底材料向上传递热量的速度慢,同时加热表面因液层蒸发带走热量多,导致汽化核心处过热度恢复较慢,出现了更低的表面过热度和更长的气泡等待周期。

蒸汽加热窄矩形通道内完全沸腾起始点研究

以去离子水为工质,对尺寸为1400 mm×250 mm×3.5 mm(高×宽×深)的蒸汽加热竖直矩形窄通道内完全沸腾起始点进行实验研究,并对气泡脱离直径构建预测模型。分析入口温度、质量流量以及加热蒸汽流量对完全沸腾起始点位置及对应位置处壁面过热度的影响。基于Hata、Mcadams的公式模型提出实验工况范围内蒸汽加热竖直窄矩形通道的完全沸腾起始点过热度的预测关联式,其平均相对误差为6.11%;采用力学方法对加热壁面附壁气泡进行力学分析,构建基于受力平衡的气泡脱离直径预测模型,采用可视化实验进行验证,其平均相对误差为13.37%。

生长和浮升过程中气泡形状振荡特性研究

气泡形状变化对两相流动和热质传递过程有着重要影响。本文利用高速摄像仪和粒子图像测速(PIV)技术对生长和浮升过程中气泡的形状振荡特性进行了实验研究,分析了不同注气流量下气泡形状及其周围流场的变化规律。实验结果表明,气流量对脱离后气泡的形状有着明显影响,在低流量下,脱离气泡逐渐由长椭球形转变为扁椭球形,而在高流量下,脱离气泡与生长气泡的聚合将导致气液界面大幅振荡。此外,振荡气泡对其尾流区内生长气泡形状的影响同样不容忽视,其会引起生长气泡所受惯性作用增强,进而导致气泡形状波动。

孔口出流气泡运动特性数值模拟

为了研究连续供气条件下,气泡运动特性与孔口进气速度、孔口直径的关系,对孔口出流气泡在静水中上升运动过程进行了研究,采用OpenFoam开源程序计算得到的静水中气泡上升运动模拟结果与试验结果吻合较好。通过改变孔口进气速度、孔口直径,分析了气泡的脱离时间和脱离直径,对比了初始球型气泡与孔口出流气泡的上升运动差异,提出可将相对速度B用于描述初始气泡终速度与孔口进气速度的关系,并采用不同无量纲参数对气泡运动相对速度进行了预测。结果表明:We数及Re数对气泡运动相对速度B的预测效果较好,气泡初始状态对气泡运动轨迹影响较大。研究成果进一步丰富了气泡运动相关领域的成果,为下一步精细刻画气泡复杂运动开创了思路。

液体流动条件下毛细管管口气泡动力特性实验

通过对液体流动条件下毛细管管口气泡生长及脱离过程进行可视化实验,分析了毛细管管壁浸润性、液体流速以及气体流量对气泡生长脱离过程的影响。实验结果表明:随着液体流速的增大,液体对气泡的横向剪切力增大,气泡的脱离周期减小,气泡的脱离直径也随着减小。同时,实验还发现随着气体流量的增大,使气泡生长动力增大,气泡的脱离周期减小;另外,实验还揭示出毛细管管壁浸润性的改变,将导致气泡生长过程中气固液三相接触线发生径向迁移。

双联毛细管管口气泡生长可视化实验

利用高速摄影仪对双联毛细管管口气泡的生长和脱离特性进行了可视化实验研究。实验结果表明,当液体淹没双联毛细管管口时,在管内无气体流动情况下,管径大和亲水的毛细管易于成为液体通道,而管径小和憎水的毛细管易于成为气体通道;在有气体流动情况下,管径大的毛细管成为气体通道,而管径小的则成为液体通道。当气室的进气流量增大时,双联毛细管端口处气泡脱离直径变化很小,而气泡的脱离周期却随之明显减小,双联毛细管的气泡生长和脱离会发生明显的相互影响。此外,液体流速对气泡的生长和脱离有很大的影响,液体流速越大,气泡脱离越快,气泡的脱离直径则越小;在液体流速较大时,靠近流体进口处的毛细管端口气泡生长和脱离明显加快,从而导致相邻毛细管端口的液体回流现象。

高压静电场强化多孔介质表面沸腾传热特性研究

采用电镀法通过调节电镀电流密度和时长制备出不同孔隙的多孔微结构表面,利用网状电极和介电流体工质AE-3000对高压静电场作用下多孔微结构表面池沸腾换热性能开展研究。通过显微可视化测量手段与沸腾传热特性实验,对比分析了高压静电场下不同多孔微结构表面沸腾换热的强化效果。实验结果表明,高压静电场在低热流区对小孔隙结构表面沸腾换热强化效果最佳,电场作用下沸腾传热系数强化因子随多孔微结构换热表面孔隙尺寸增大而减小。与无电场相比,低热流区施加场强为1600 kV/m电场后多孔微结构表面气泡脱离频率最大提升5.11倍,气泡脱离直径下降53.57%。有源电场的引入能够有效解决小孔隙结构表面沸腾气泡脱离困难、逸出阻力大等问题,提高气泡脱离效率,强化沸腾传热性能。

竖直圆管内液氮过冷流动沸腾数值模拟研究

在现有数学模型的基础上,从沸腾换热的机理入手,对过冷流动沸腾模型中的气泡参量模型进行了修正,分析确定了壁面热流密度的拆分方法,构建出适应于液氮的过冷沸腾计算模型。将新模型应用于CFX4.4中,对液氮在三维竖直圆管内的过冷流动沸腾进行了数值模拟。研究发现,在过冷流动沸腾形成之后,蒸发热流成为壁面换热的主要部分,沸腾换热占据换热的主导地位。数值模拟结果与已有的实验数据吻合较好,证明了新建模型的正确性。