低温流体微重力池沸腾气泡脱落特性研究

研究微重力下的气泡动力学行为及其脱落特性是揭示微重力下流体沸腾换热机理的基础,而气泡处于空间复合弱力环境下,表现出不同于常规的特殊现象。以微重力下平板加热面上氢沸腾气泡为对象,展开了受力分析,考虑到Marangoni效应的影响,构建了受力平衡模型,进一步计算并分析了不同重力、压力、流体过冷度、壁面过热度下的气泡脱落直径。研究结果表明,当重力降低至某一临界值后,沸腾气泡存在3个不同尺度的脱落直径,且重力水平越低,气泡最大脱落尺寸越大,直径最大可达几十厘米。在常重力下,沸腾气泡仅存在0.01~0.1mm量级的脱落直径,压力对常重力与微重力下气泡脱落直径的影响差异显著,随着压力的升高,常重力气泡脱落直径不断减小,而微重力下最大气泡脱落直径有所增大;在微重力下,流体温度越低则过冷度越大,因此气泡最大脱落直径也越大,液氢过冷度每提高1K,最大气泡脱落直径增大约10%。当重力一定时,存在临界壁面过热度,且只有当壁面过热度超过该临界值时,沸腾气泡才会存在3个脱落直径。当压力越高、流体温度越低时,该临界过热度越小。

基于流动沸腾气泡脱落行为的重力无关性分析

在流动沸腾现象中,气液两相密度差异导致重力对流动和传热性能产生很大影响,因此重力效应研究对于流动沸腾的航天应用具有重要意义.在对Bower-Klausner-Sathyanarayan重力无关准则(BKS准则)分析的基础上,提出其判据存在理论缺陷,不能正确反映重力效应.采用与BKS准则相同的气泡脱落模型,但忽略气泡沿加热管壁的滑动效应,重新计算常重力条件下不同流动方向起始沸腾阶段单气泡的脱落尺寸,归纳得到一个新的基于Fr (Froude数)的重力无关准则.该准则与实验结果符合更好,且与主导作用力准则基本相符.

单气泡池沸腾传热中的重力效应数值模拟

本文数值模拟了不同重力条件下饱和状态的FC-72在厚度5 mm的SiO2固壁上的单气泡池沸腾传热现象及相应的气泡动力学和传热性能。固壁底面给定均匀过热度10 K,其瞬态热响应被考虑在内。通过多个气泡周期的计算,得到了准稳态的沸腾过程。结果表明,在小热流密度下,气泡脱落直径Db反比于重力的1/2次方,且与Fritz模型一致;气泡脱落频率f则正比于重力。传热特性存在2个明显不同的区域,即重力相关区和重力无关区,其分界位置约为0.03g0:高于该临界重力时,热流密度与重力相关,恒定过热度下热流密度与重力呈确定的指数函数关系;小于该临界重力时,热流密度与重力无关。临界重力值对应于基于Laplace长度的无量纲加热器长度约2~3之间,与Raj-Kim-McQuillen重力标度模型建议的2.1相近。重力相关区标度指数随着过热度增大而单调增大,但明显大于Raj-Kim-McQuillen重力标度模型预测结果。研究结果还表明固壁瞬态热响应对重力无关区传热性能的影响比重力相关区更为明显。