沸腾态传热的实验研究

对悬浮沸腾态的传热进行了实验研究。分别对管道和旋风筒的传热、分解炉的传热和沸腾床的传热进行了实验,对传热系数,速度和温度的关系进行了测试,从而得出了相关的结论。

部分互溶的R32-润滑油混合物核态沸腾中分层与换热特性

在空调器中采用与制冷剂部分互溶的润滑油代替现有完全互溶的润滑油,能避免制冷剂循环量不足的问题,前提是掌握部分互溶的润滑油对沸腾换热的影响。本文针对空调器中广泛使用的制冷剂R32,搭建可视化的沸腾换热特性测试实验台,观测混合物分层现象并测定换热系数。实验结果表明:部分互溶混合物随润滑油质量分数增大先后经历均一混合、分层、均一混合状态;换热系数随时间先不变后减小,减小时刻随热流密度和初始润滑油质量分数增大、初始液相高度减小而提前;平均换热系数随热流密度增大而增大,受初始润滑油质量分数和液相高度的影响可忽略不计;热流密度从5 kW/m^(2)增大至15 kW/m^(2),平均换热系数增大118.3%。

Zr-4表面特性及冷却剂过冷度 对骤冷沸腾传热的影响

核燃料棒再淹没骤冷沸腾是堆芯失水事故后避免堆芯熔化采取的重要事故缓释措施。本文采用不同粒度砂纸打磨得到不同粗糙度的Zr-4表面,研究了Zr-4表面粗糙度和冷却剂过冷度对骤冷沸腾过程冷却速率及沸腾换热的影响。对所制备的不同表面粗糙度实验段进行了骤冷沸腾可视化实验,同时测量实验段内部温度,通过导热反问题反演得到骤冷过程表面温度及热流密度。结果表明:表面粗糙度对膜态沸腾换热的影响较小,但粗糙度较大的表面更早地触发了表面-液体接触,强化了骤冷沸腾;而粗糙度较小时,粗糙度对骤冷沸腾的影响较小;当粗糙度进一步减小时,由于表面接触角的增大,骤冷沸腾持续的时间增长。此外,随着冷却剂过冷度的增大,膜态沸腾气膜厚度减薄,维持稳定气膜的最小膜态沸腾温度增大,骤冷速率增强。本文为揭示压水堆破口事故燃料棒再淹没过程的流动沸腾换热机理提供一定的理论基础。

基于格子玻尔兹曼方法的横向交变质量力对核沸腾影响的数值分析

采用格子玻尔兹曼方法的单组份伪势模型与有限差分耦合的混合热格子玻尔兹曼模型,对在横向交变质量力作用下的单汽泡核态沸腾过程进行了研究,探讨了在不同接触角和过热度下,横向交变质量力的振幅和交变频率对汽泡脱离底壁的脱离特性的影响。结果表明,施加横向交变质量力会造成汽泡脱离直径减小,同时加速汽泡脱离底壁。其次,壁面越疏水,汽泡的脱离行为受到横向交变质量力的影响越大;壁面过热度越大,汽泡的脱离行为受到横向质量力的影响也越大。另外,在模拟工况下,当横向交变质量力的振幅大于0.01时,添加横向交变质量力会使汽泡的脱离直径与脱离周期均减小;而横向交变质量力的交变频率仅在某一频段时,使得汽泡的脱离周期减小。

基于GOTHIC 3D的内置冷却管双坩埚堆芯捕集器瞬态模拟研究

为进一步探究内置冷却管的双坩埚式堆芯捕集器在给定冷却壁面热流密度瞬态分布的边界条件下,自冷却水灌注冷却流道起始,至形成稳定两相流自然循环并达到热平衡阶段的瞬态三维冷却性能,开发了基于安全壳热工水力学信息生成(GOTHIC)的三维分布参数热工水力模型。通过使用不同形状封堵及开孔模块的搭建和分布参数热构件依异形表面的贴覆,实现了双坩埚捕集器异形流道三维流动换热过程的瞬态模拟。通过模拟分析、计算结果的后处理及相关模型分析,证实了该双坩埚捕集器在两相流自然循环启动后,形成了良好的带热能力,在假定条件下,其带热能力提升至13.4 MW;三维计算结果亦可为该捕集器的优化设计提供有价值的参考,同时亦证实了GOTHIC 3D程序对于三维两相流热工水力问题的模拟分析能力。

δ-Al_2O_3-R141b纳米流体的池内核态沸腾传热特性

对δ-Al2O3-R141b纳米流体在0.1MPa系统压力下进行了池内沸腾传热性能测试。沸腾表面为2000#砂纸打磨的光滑紫铜表面,沸腾热通量为30～130kW.m-2,纳米流体的体积浓度为0.1%、0.01%、0.001%。实验表明纳米流体强化了沸腾传热特性,且强化倍数随着纳米流体浓度的增加而增大。体积浓度为0.1%时,沸腾传热系数比基液增大了50.2%。分析认为表面颗粒沉积是强化换热的主要因素,而接触角的变化在此可以忽略。与Rohsenow关联式相比较,纯液体和较低浓度的纳米流体的实验数据与关联式吻合较好,相对误差最大不超过13%,高浓度时吻合较差关联式不再适用。

核态池沸腾中气泡生长和脱离的动力学特征——气泡动力学研究回顾

系统地总结和分析了近半个世纪以来气泡动力学的研究进展情况，指出了在气泡生长脱离研究中存在的不足及今后的发展方向，以促进气泡动力学研究的深入发展。

常见液体除湿剂池内核态沸腾换热特性

溶液除湿剂的沸腾式再生能够降低除湿空调对室外环境的依赖性,而溶液的沸腾特性的研究对沸腾再生器的设计有重要意义。针对3种常规除湿溶液及一种配方型除湿剂的池内核态沸腾特性展开实验研究。研究发现:3种溶液的沸腾温度均随着浓度的增加而升高;3种溶液的沸腾传热系数均低于水,并随浓度的增加而降低,但是当浓度增大到极限时,溶液中有小颗粒析出,其传热系数却提高。相近传质能力条件下,溴化锂溶液与氯化钙溶液的沸腾换热性能优于氯化锂溶液;在氯化锂溶液中添加一定量的氯化钙溶液能够优化氯化锂溶液的沸腾换热性能。

核态池沸腾中气泡生长和脱离的动力学特征——气泡的脱离直径与脱离频率

在前人工作的基础上提出了表征核态池沸腾中气泡脱离和生长过程的特征时间和特征尺度，并进而得到了气泡生长时间和气泡脱离直径的通用关系式，应用传热学类比方法建立了计算气泡脱离直径的一般公式。本文的研究结果与前人的实验结果甚为相符。

核态沸腾中汽化核心密度的预测

提出了一种基于沸腾表面微结构分析的预测核态沸腾中汽化核心密度的方法。通过对沸腾表面微结构进行分析,沸腾表面上具备贮藏气体条件的凹坑被识别出来,并且得到一个这些具备贮藏气体条件凹坑的开口半径的数据集合。然后用不同的测量尺度去分析这个数据集合。对于一个特定的测量尺度,存在一个相应的测量结果。这个测量结果是上述数据集合中所包含的大于测量尺度的数据的数量除以沸腾表面上的实际考察的面积。这里的测量尺度和测量结果可以分别被视为最小成核直径和汽化核心密度。上述离散的测量尺度和测量结果的数据可以被拟合成一个数学公式。这个数学公式可以被用以预测汽化核心密度和最小成核半径之间的关系。预测结果和实验数据吻合,并且表明汽化核心密度和最小成核半径之间为分形的关系。

球体表面强制对流膜态沸腾换热的数值模拟

使用改进后的流体体积法(VOF)追踪汽液自由界面,开发了用于计算带相变的自由界面问题的基于适体坐标的计算流体力学(CFD)程序,对球体表面强制对流膜态沸腾换热进行了数值模拟。将数值模拟结果与实验关联式进行了对比。结果表明,数值计算较好地模拟了球体表面强制对流膜态沸腾的物理过程。

基于碳纳米管的含油纳米制冷剂核态池沸腾换热特性

通过实验研究了基于碳纳米管（CNTs）的含油纳米制冷剂（即由制冷剂R113、润滑油VG68和碳纳米管组成的纳米流体）的核态池沸腾换热特性,分析了碳纳米管对含油制冷剂核态池沸腾换热的影响。实验中采用了外径为15~80nm、长度为1.5~10μm的四种碳纳米管。实验的饱和压力为101.3 kPa;热流密度为10~80 kW/m2;纳米油（碳纳米管和润滑油的混合物）的质量分数为0~5%;在纳米油中碳纳米管的质量分数为0~30%。实验结果表明：碳纳米管增强了含油制冷剂的池沸腾换热,在测试工况下换热系数最大可增加61%。当纳米油中碳纳米管浓度为20%不变,纳米油浓度由1%提高到5%时,不同尺寸的碳纳米管对换热系数的增加幅度由27%~59%降低至23%~55%;当纳米油的浓度为1%不变,纳米油中碳纳米管浓度由20%提高到30%时,不同尺寸的碳纳米管对换热系数的增加幅度由27%~59%升高到33%~61%。通过实验获得了基于碳纳米管的含油纳米制冷剂池沸腾换热关联式,关联式的预测值与96%的实验数据偏差在±10%以内。

池内核态沸腾换热新模型

考虑多个活化核心或汽泡间非线性相互作用及核化过程的非线性动力学特征 ,指出沸腾系统具有强非线性和随机性等特征 .从随机性的物理机理出发 ,利用汽泡数目平衡的概念导出了汽泡尺寸分布函数 ,在此基础上提出了计算核态沸腾换热的新思路 .计算结果与实验对比吻合得很好 .

矩形通道干涸后膜态沸腾传热试验研究

在流动传热基础试验平台上进行了矩形通道干涸后膜态沸腾的传热试验,研究了各种热工水力参数对膜态沸腾传热的影响特性.结果表明:干涸后膜态沸腾是一个相对稳定的传热过程,其壁面温度不会出现明显的脉动;随着进口含汽率的增加,膜态沸腾热流密度减小,壁面温度升高,传热系数减小;随着质量流速的增大或系统压力的升高,膜态沸腾热流密度增大,壁面温度降低,传热系数增大.

池内水沸腾状态的声发射测量

采用声发射技术,结合频域和时域分析手段,研究了池内水沸腾过程中声信号变化与沸腾状态转变的对应关系。结果表明,当过热度为5℃时,沸腾由自然对流状态转变为核态沸腾状态,此时声信号能量、标准偏差和平均绝对偏差值均达到极值点;当过热度为30℃时,沸腾由核态沸腾状态转变为过渡沸腾状态,此时声信号能量、标准偏差和平均绝对偏差值开始出现剧烈的波动。与此同时,随过热度的增加,沸腾过程中声信号主频出现两次明显的阶跃性下降,分别对应于沸腾状态转变为核态沸腾和过渡沸腾。因此,声信号主频的阶跃性变化可作为沸腾状态转变的判据。与该领域的其他工作相比,不仅考察了自然对流状态和核态沸腾状态,还考察了核态沸腾向过渡沸腾的转变过程,同时提出了沸腾状态转变的判据。与传统方法相比,该法相对简单准确,具有灵敏度高、非侵入式、实时在线的优点。

使用界面追踪对膜态沸腾的数值研究(英文)

提出一种计算带相变的自由界面的数值算法.基于分段线性界面重构(PLIC)的VOF(volume-of-fluid)方法用于追踪自由界面,并对汽液交界面上的相变导致的不连续速度场给出处理方法.此方法容易实施且被证明是有效的.流场的求解使用SIMPLE方法,表面张力使用连续表面力模型(CSF)进行计算.在三维直角坐标系下,模拟了水平壁面上的膜态沸腾,在二维适体坐标系下,模拟了竖直圆头柱体表面的自然对流膜态沸腾.计算结果与理论关系式符合较好.

DNB后膜态沸腾传热计算模型

提出膜态沸腾传热的物理模型,建立相应的数学模型,对DNB后膜态沸腾传热特性进行分析,通过实验数据确定关系式系数,得到了DNB后膜态沸腾传热计算模型。本文提出的理论计算模型与现有不同工况范围内取得的实验数据和已有计算模型进行了比较分析,并对计算偏差进行了统计计算。比较结果表明,本文的计算结果与实验数据符合较好,且相对于已有计算模型,本文模型具有较广的适用性。针对各系统参数对DNB后膜态沸腾传热的影响,对所提出的理论计算模型进行了研究,所得结果的规律与已有实验研究结果符合。

低温流体大空间膜态沸腾换热预测

为了预测低温流体膜态池沸腾换热特性,研究了文献中涉及低温流体膜态池沸腾换热的实验数据,并根据加热面结构对数据进行了分类整理。以此为基础,与3种典型膜态沸腾换热模型(Bormley模型、Frederking模型和Breen&Westwater模型)的预测结果进行了对比分析,探讨了现有模型在预测不同结构加热面低温流体沸腾换热时的适用性与精度,实现了低温流体膜态沸腾换热的准确预测。研究发现,对于低温系统预冷过程,在分析膜态沸腾传热时可不考虑辐射热的影响,但必须考虑加热面结构的影响。对于水平管与球形加热面,可分别选用Bromley公式与Frederking公式预测沸腾传热系数;对于平板与丝状结构表面,分别修正了Frederking公式与Breen&Westwater公式,修正后两模型预测误差均小于15%。研究内容为低温换热系统的设计及运行提供了可靠的理论支持。

信号奇异性的边缘检测小波对CHF和最小膜态沸腾起始点的检测

汽液两相流动的CHF(临界热流密度 )和Tmin(最小膜态沸腾起始点 )等特性点附近曲线存在转折 ,即在此点附近曲线的梯度要发生变化 ,从数学角度看这些点必然具备一定的奇异性 .目前对于函数 (信号 )奇异性的检测方法主要是用小波变换实现的 ,由于小波分解具有良好的空间域和频率域的局部化特性 ,小波变换可以刻画出信号的变化规律以及对信号内奇异点的各种奇异性质进行检测和分析 .对汽液两相流动中各传热特性点也可以用边缘检测小波变换去进行分析 ,并实现对它们的检测、定位和定量分析 .通过对具体试验数据的边缘算子的检测证明了边缘检测小波完全可以用于对汽液两相流动的CHF和Tmin等特性点进行检测 。

加热丝上核态沸腾时汽泡间的热相互作用

本文分析讨论加热丝上汽泡生长过程中加热丝的温度变化特征 ,揭示一个活化核心的起泡对周围其他活化核心起泡过程以及其自身的影响 ,进而讨论两个核心之间起泡的相关性。分析还发现由于汽泡生长造成的局部温度下降是加热丝表面沸腾需要较高过热度的一个重要原因。通过对温度场的计算 ,模拟了两个临近核心之间的热相互作用 ,得出一些有益的结论。