矩形窄缝过冷沸腾汽泡滑移起始点可视化初步研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝汽泡滑移起始点进行了可视化实验初步研究。实验发现,在1.3mm的矩形窄缝中,汽泡滑移起始点在壁面上的分布呈抛物线形状,质量流密度、热流密度和系统压力对汽泡滑移起始点位置影响较大;表面粗糙度和流体波动对汽泡滑移起始点位置和滑移起始点汽泡尺寸大小有较为明显影响。

窄流道内过冷流动沸腾条件下汽泡滑移特性研究

对竖直矩形窄流道内的汽泡滑移进行可视化实验,得到汽泡滑移运动的特性和滑移距离随工况变化的特性。建立基于能量平衡的热量分析模型,研究汽泡滑移对换热特性的影响。分析表明,滑移运动的汽泡比周期性固定生长的汽泡所引起的强化换热效果更显著。本文引入滑移汽泡扰动强度的概念,提出了滑移汽泡和固定汽泡扰动所导致的热流密度表达式,并分析了二者的差异。

汽泡滑移现象及质量流速和热流密度对汽泡滑移生长的影响

以去离子水为工质,对较高系统压力下竖直矩形窄流道内的汽泡生长特性进行可视化研究。由于单位体积潜热的提高,系统压力升高将抑制汽泡的生长,使得在相同生长时间内汽泡的尺寸大幅减小;随着系统压力升高,汽泡在核化点处的生长时间会明显地缩短。压力较高时,汽泡生长主要是在滑移过程中进行,滑移过程中,会间歇性地离开又再附上加热壁面;汽泡的滑移生长并不会随着质量流速或热流密度的变化而发生单调性地变化。

矩形窄缝通道近壁汽泡滑移和浮升可视化实验研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面拍摄、观察矩形窄缝通道内近壁汽泡滑移、浮升运动,发现在加热面倾斜朝上和竖直向下流动沸腾时汽泡易于浮升。汽泡浮升后,其运动速度迅速增加。由于浮升汽泡处于过冷流体中,其界面上发生冷凝,导致汽泡界面形状变化较大。基于可视化实验结果,从受力角度分析不同流动方式和加热面放置方式对近壁汽泡滑移和浮升的影响。

水平流动沸腾近壁汽泡滑移速度预测及分析

滑移汽泡对提高通道内的换热有重要作用,为建立合理的机理模型,需深入了解滑移汽泡的运动特征。通过对水平流动沸腾下近壁滑移汽泡进行受力分析,研究建立了滑移汽泡动量守恒方程,通过数值求解,获得了近壁滑移汽泡的速度,并与Maity的试验数据进行了比较分析,两者符合较好。模型预测结果表明:随着时间的增长,滑移汽泡的速度逐渐增加,但增加的趋势逐渐变缓;汽泡浮升时,滑移汽泡的速度低于当地液相的速度,表明在该情况下,曳力和汽泡生长所产生的附加质量力为汽泡滑移的动力,剪切升力为汽泡浮升的动力。

周期力场下窄通道内汽泡滑移实验研究

为了探索海洋条件下的沸腾换热机理,完善海洋条件下两相流动模型,采用高速摄影设备对摇摆状态周期力场下矩形窄通道内的汽泡滑移进行了实验研究。实验结果表明,在摇摆运动的影响下,汽泡的滑移速度发生了周期性波动,波动的周期与摇摆运动周期基本一致;摇摆运动所引起的附加惯性力以及系统流量的波动对汽泡滑移速度波动影响不大,摇摆运动所引起的汽泡直径变化是影响汽泡滑移速度波动的主要原因。

矩形窄通道内汽泡滑移与冷凝前期生长模型研究

矩形窄流道内汽泡生长会直接改变相界面浓度,从而影响流道的传热传质性能。为获得适用于窄流道内不同类型的汽泡生长模型,基于通体可视的实验本体,开展壁面沸腾流动换热实验。基于传热能量方程,研究过冷沸腾中汽泡滑移与冷凝前期两种情况下汽泡生长模型。实验结果表明汽泡呈现两种形式的生长,即汽泡滑移生长以及冷凝前期生长。建立了两种情况下的汽泡生长模型,实验数据验证模型误差在20%以内。因此,本研究能为沸腾两相数值模拟提供更加精细化的汽泡生长模型,从而提高汽泡行为的预测精度。

竖直矩形窄缝通道内近壁滑移汽泡运动特征研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面立体可视化观察了滑移汽泡的运动特征。研究结果表明:汽泡脱离核化点后都沿加热面平行滑移,在低热流密度下存在典型滑移汽泡现象。滑移汽泡形状总体呈球形,其前后接触角相差不大。汽泡脱离后初始一段时间内,滑移汽泡速度增加的较快,一定时间后,其速度值超过了当地流体速度。随着运动时间的继续增加,滑移汽泡基本呈匀速运动。滑移汽泡的直径越大,其运动速度也越大;主流速度越大,滑移汽泡平均速度越大,且主流速度增加后,滑移汽泡速度增加较快。

竖直矩形窄缝通道滑移汽泡聚合作用可视化实验研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面立体可视化观察了滑移汽泡间的聚合特性。研究结果表明,在低热流密度孤立汽泡区域,近壁滑移汽泡间的聚合作用过程较快,聚合重新形成的汽泡仍沿加热面平行滑移;在滑移汽泡间开始相互作用的影响距离约是其平均直径的2倍,滑移汽泡间的聚合作用是一种积极的作用,共同使得滑移汽泡的运动速度增加,有利于该区域附近换热的提高。最后探讨了核化生长汽泡间的作用及其对汽泡浮升的影响。

竖直流动沸腾滑移汽泡速度预测及运动机理

为了建立合理的机理模型,需要深入了解滑移汽泡的运动特征。文中通过对竖直流动沸腾下近壁滑移汽泡进行受力分析,建立了滑移汽泡动量守恒方程式,获得了近壁滑移汽泡的速度,并与Maity的实验数据进行了比较分析。模型预测结果表明,随着时间的延长,滑移汽泡的速度逐渐增大,但增大的趋势逐渐变缓慢;汽泡浮升时,滑移汽泡速度高于液相入口主流速度,表明该种情况下,曳力和附加质量力由促使汽泡滑移的动力变为阻力;当滑移汽泡速度大于当地液相速度时,剪切升力使得汽泡靠近壁面,而由于汽泡形状变化所产生的流体惯性力可能是汽泡从壁面浮升的动力。

矩形窄缝通道内滑移汽泡生长及界面形态可视化研究

采用高速摄像仪从宽面和窄面观察窄缝通道中孤立汽泡区域内滑移汽泡生长以及滑移过程中汽泡界面形态的变化规律。研究结果表明,在拍摄窗口内滑移汽泡生长速率较小,小汽泡的生长速率略高于大汽泡的生长速率。从宽面观察,滑移汽泡呈近似球状;从窄面观察,平行于加热面方向的轴长略小于垂直于加热面方向上的轴长。总体来说,在本实验工况下,汽泡在滑动的过程中其前后接触角变化不大。

近壁滑移汽泡沸腾换热机理研究进展

在沸腾换热机理研究中,近壁滑移汽泡的研究日益受到广泛的重视。但是,近壁滑移汽泡的研究还远未成熟。本文探讨了近些年来滑移汽泡换热机理方面的最新研究进展。论述了滑移汽泡的动力特性和换热机制;总结了近壁滑移汽泡的换热机理模型及其计算方法。指出了近壁滑移汽泡动力特性所需要继续深入研究的内容,初步构建了近壁滑移汽泡换热机理模型。最后对近壁滑移汽泡的研究方向提出了建议。

窄通道内的汽泡核化以及滑移汽泡的影响

针对不同压力下窄通道内的过冷流动沸腾汽泡核化进行了实验研究,通过高速摄影技术观察了汽泡的核化和滑移过程。实验结果表明,与常规通道有所不同,窄通道内的汽泡一般不会离开加热壁面而产生浮升现象,汽泡主要沿加热壁面进行滑移运动。不同压力条件下的汽泡核化有较大的差别,较低压力条件下汽泡核化点沿加热壁面分布比较均匀,而压力升高后的汽泡核化点主要集中在沸腾起始点附近,下游核化点数目则相对较少。核化点分布形式的不同主要是由不同压力下汽泡滑移特性的不同所导致的。

过冷流动沸腾相变过程汽泡特性的VOF方法模拟

基于计算流体动力学(CFD)软件对不同压力和热流密度下矩形流道内过冷流动沸腾进行模拟。相变模型通过用户自定义函数(UDF)描述质量和能量传递实现,汽-液界面捕捉通过流体体积法(VOF)获得。研究结果表明,蒸发和冷凝的交互作用会在垂直于流动方向的截面内形成二次流以增强壁面附近的微对流。汽泡在滑移过程中逐渐长大,并与邻近汽泡聚合形成更大的汽泡,且变形逐渐加大。汽泡滑移会增强下游区域的换热,从而抑制下游核化点的产生。随着压力升高和热流密度降低,汽泡尺寸、生长速度以及出口处平均空泡份额都会减小。汽泡生长曲线和沸腾起始点(ONB)附近加热壁面温度模拟结果与文献中关联式吻合良好。

不同系统压力下汽泡生长特性及压力影响机理分析

为了探讨系统压力变化对窄流道内汽泡生长的影响,在不同系统压力(0.1～1 MPa)下采用高速摄像仪对2 mm竖直矩形窄流道内的汽泡生长进行可视化研究。研究表明,发现在0.1～0.3 MPa下汽泡的生长主要在核化点处进行,但在较高压力(ps≥0.6 MPa)时汽泡生长主要是在滑移中进行,汽泡的尺寸也显著减小;由于汽泡行为发生变化,不同系统压力下加热壁面上的换热状况有着很大区别。用拉普拉斯数(La)和时间因子(ξ)分别对汽泡半径和汽泡生长时间进行无量纲化后,无量纲汽泡生长曲线遵循指数曲线变化;指数曲线的系数k随系统压力升高而减小。

常压下液氮窄缝池沸腾实验研究

采用玻璃钢 (FRP)制成的矩形窄缝 ,对三种不同的间隙尺寸 ,分加热面与水平面呈 0°,4 5°,90°,135°,180°五种角度 ,以液氮为工质进行了 15组池沸腾实验。得出结论 :液氮在窄缝中的沸腾传热有明显的强化换热效果 ;加热面所处角度不同 ,在相同热负荷下壁面过热度亦不同 ,滑移汽泡和微液膜蒸发机理在通道中发挥的作用也相应不同。该研究对于有限空间传热强化的机理和实际应用都有一定的参考价值和指导意义。