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。

窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内垂直上升流过冷流动沸腾区域汽泡脱离频率进行可视化实验研究。结果表明,汽泡脱离频率随质量流速的增大而减小,随入口过冷度的增大而减小,随热流密度的增大而增大。将实验数据与文献中汽泡脱离频率计算模型进行比较,发现基于池式沸腾和饱和流动沸腾开发的计算模型不能准确预测过冷沸腾区域汽泡脱离频率。本文以无量纲参数的形式,分别用液相雷诺数、过冷雅各布数和核态沸腾热流密度表示质量流速、主流过冷度和热流密度对汽泡脱离频率的影响,获得矩形窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率预测关系式,关系式的平均预测误差为±17.1%。

影响测微仪测头临界脱离频率因素的研究

为了改善电感测微仪测头的动态响应性能,找出测头的临界脱离频率,对影响测微仪测头临界脱离频率的因素进行了理论分析,并通过试验台对测头的刚度、质量及预压量等因素对其产生的影响进行了验证。试验结果表明:在对电感测微仪测头的设计中,合理增加刚度和预压量、减少活动部分的质量可以提高测头的动态响应性能。

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。

流动沸腾汽泡脱离频率预测模型分析

汽泡脱离频率从时间上反映汽泡的循环周期,该值直接影响汽泡蒸发带走的热量。为提高流动沸腾下换热计算的准确度,本文利用13组流动沸腾独立实验对脱离频率的影响因素进行了分析,并对5个现有预测模型的准确度进行了对比评价。研究发现,脱离频率与管道尺寸呈正相关,而大多数预测模型因忽略这一因素的影响准确度较低,基于此,本文通过无量纲分析得到一套新预测模型,为将来在更大管道尺寸范围内进行流动沸腾换热计算奠定了基础。

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%。

窄通道过冷沸腾汽化核心密度及汽泡脱离频率的影响因素

本文以水为工质,研究了工况参数对竖直矩形窄缝流道内上升过冷流动沸腾的汽化核心密度和汽泡脱离频率的影响。研究发现,流道间隙越小则汽化核心密度越大,汽化核心密度和最小成核半径存在定量关系;热流密度增大、过冷度降低或压力升高都使汽泡脱离频率增大,热流密度增大时,压力对汽泡脱离频率的影响增大。

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。

非均匀直流电场作用下气泡的生长变形与脱离特性实验研究

电场强化多相系统相间分散技术被广泛应用于化工领域。气泡生长过程决定着气泡脱离后的尺寸和分散特性,它们是影响传热传质效率的重要因素。为此搭建了静电气液分散可视化实验系统,利用显微高速摄像技术对非均匀电场下液体电介质中的气泡生长过程进行了微观可视化研究,通过对实验获得的气泡生长及脱离过程的微观图像进行处理分析,归纳了气泡生长变形与脱离的多种动态特征。实验结果表明:气泡生长可分为4种特征区别明显的模式,包括滴状分离、锥形分离、扭结分离和枝杈破碎;受荷电弛豫效应影响,自由电荷在气液界面局部聚集,使库仑力作用强度不均匀,宏观表征为气泡表面波动;随电场强度的增大,气泡沿电场方向被拉伸且气液界面的波动程度加剧,气液界面稳定性被电场力削弱,最终气泡破碎形成微气泡群。该研究可为电场作用下气泡脱离尺寸和脱离频率的控制提供参考。

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。

侧吹气流流动特性实验研究

通过搭建侧吹模型实验装置,对侧吹气流流动特性进行实验研究。利用高速摄影仪记录气体侧吹流动过程,并运用MATLAB图像处理方法对实验所得气流流动特性参数等实现自动批量处理。研究结果表明:气泡脱离频率与修正弗劳德数Fr’呈非线性减小关系,与液体黏度υ呈非线性增加关系;量纲一气体穿透深度H/D随修正弗劳德数Fr’呈非线性增加趋势,而与喷管直径D、液体黏度υ呈非线性减小趋势。

竖直环形通道内液氮自然循环沸腾可视化实验研究

采用基于高速摄像手段的可视化方法研究了竖直环形通道内的液氮自然循环沸腾过程,建立了汽泡脱离直径及汽泡脱离频率的实验关联式,以新建方程结合双流体模型进行了数值计算。与实验数据的对比表明,建立的实验关联式对于液氮自然循环沸腾过程中的汽泡脱离直径及汽泡脱离频率具有很好的预测精度。

边界摩擦条件下含有预紧的对合碟簧隔振单元的振动特性

为研究对合碟簧的摩擦对隔振单元振动特性的影响,设计了一种存在预紧的对合碟簧隔振单元,建立了考虑边界摩擦条件下对合碟簧组的刚度模型。通过准静态加载试验验证了该刚度模型的正确性;并提出了该碟簧隔振单元的非线性动力学模型,应用平均法对对合碟簧隔振单元的自由振动进行分析,得出影响系统自由振动频率的各项因素;对基础激励下对合碟簧隔振单元的受迫振动进行分析计算。结果表明:在小位移振动条件下,该碟簧隔振单元可近似等效成非线性黏性阻尼系统,且附加支持力系数仅影响系统脱离频率,刚度三次项系数值的选取越大越不利于系统隔振;在大位移振动条件下,计算得到了系统存在异常跳跃状态与全频域内传递率系数T′d≤0状态,并说明这两种状态与黏性阻尼系数以及附加支持力系数间的联系。

非均匀电场作用下气泡生长及运动特性

气液两相流广泛应用于化工、石油等工业生产中,电场可以有效强化相间作用。为探究电场作用下气泡的生长演化特性,本文采用显微高速数码摄像技术对气泡生长、脱离过程及运动进行可视化研究,精确捕捉了非均匀电场作用下气泡产生、脱离和运动过程的显微形貌特性,结合图像处理技术定量分析了电场强度对气泡生长时间、脱离频率、体积及运动速度的影响规律。实验结果表明电场作用改变了气泡的生长方式,显著地促进了气泡的脱离及运动。电场作用下气泡的脱离频率明显增大,相较于无电场情况下增加了几十倍,最短脱离周期可达到10ms左右。气泡脱离体积显著减小,相应的最小气泡直径为毛细管直径一半。气泡初始速度大约增加4倍,横向速度达到80mm/s左右,强化了气泡在液体中的分散性。这为荷电气液两相流工业应用提供了良好的理论基础。

加热面尺寸对饱和池沸腾换热性能的影响

为揭示加热面尺寸对饱和池沸腾换热性能的影响,对8种不同尺寸光滑硅片表面在FC-72中的池沸腾换热性能进行了实验研究,通过高速相机观察了不同热流密度下各尺寸硅片表面的气泡动力学行为,分析了加热面尺寸对汽泡成核、脱离特性和换热系数的影响。结果表明,自然对流区内,相同热流密度条件下加热面尺寸越大,硅片对液体的热对流扰动越小,壁温越高且换热系数越小;随热流密度增大,换热面周边最先产生汽泡,大尺寸换热面与绝热胶的接触周长更大,产生的缺陷和凹坑能捕捉更多气体,因此率先进入核态沸腾。核态沸腾区内,小尺寸加热面汽泡脱离直径小、脱离频率高,换热性能好。高热流密度范围内,大尺寸表面的汽泡脱离直径和脱离频率随热流密度增大而迅速增大,表面换热增强。临界沸腾点时,换热系数随加热面尺寸的增加呈先增大再减小最后缓慢增大的变化趋势。

常压下SiC包壳材料表面饱和池式沸腾汽泡行为机理研究

SiC材料是一种耐高温、抗氧化性好的耐事故燃料(ATF)类型,其传热及临界热流密度(CHF)性能是评估材料性能的重要指标,汽泡行为机理研究有助于评估其传热性能。采用常压池式沸腾可视化实验装置对SiC包壳材料汽泡行为机理进行研究,分析了其池式沸腾曲线不同区段中汽泡生长、脱离过程。根据观察到的SiC包壳表面池式沸腾汽泡图像,将整个池式沸腾传热过程分为自然对流区段、孤立汽泡核态沸腾区段、弹状汽泡核态沸腾区段和膜状汽泡核态沸腾区段4个区段。在孤立汽泡核态沸腾区段,SiC包壳表面汽泡生长时间较短、汽泡脱离频率高;在弹状汽泡核态沸腾区段,SiC表面产生大量汽泡,汽泡之间的相互作用剧烈,SiC表面传热较强。建立的接触角与脱离直径关系式可为后续传热模型的建立提供重要支撑。

液体过冷度对沸腾换热中汽泡合并及传热的影响

本文对三种过冷度下,微尺度加热片阵列上的沸腾换热现象做了实验研究,实验采用两组核化点,每个核化点包含12个大小约为0.1 mm×0.1 mm的微型加热片。利用高速摄像技术从汽泡的底部对汽泡生长及合并现象进行观测,并用高速数据采集系统同步记录不同加热片热流密度.实验探究了不同过冷度下的汽泡合并现象,以及对应的汽泡直径变化规律、汽泡脱离频率和热流密度曲线。文章分析了不同的合并现象并探究了过冷度对沸腾传热的影响。

常压下ATF锆合金包壳Cr涂层表面饱和池式沸腾气泡行为实验研究

铬(Cr)涂层锆合金包壳是最有前途的耐事故燃料(ATF)的新型包覆材料之一,对其表面的气泡动力学进行研究有助于评估是否具有更好的传热性能。在常压下的Cr涂层锆合金包壳池式沸腾实验装置中对不同工艺方法下制备的Cr涂层锆合金包壳进行实验,研究了粗糙度等表面状态对气泡产生、长大以及脱离等气泡行为的影响。结果表明,气泡接触角与Cr涂层表面粗糙度有关,粗糙度越大,表面气泡接触角越小;不同涂层工艺下制备的4种Cr涂层锆合金包壳样件表面的气泡脱离直径范围为1.256~1.446 mm,气泡脱离频率范围为29.99~50.97 Hz;气泡脱离直径与粗糙度呈负相关,脱离频率与粗糙度呈正相关;气泡脱离直径预测模型与实验数据之间的偏差为±6%,脱离频率预测模型与实验数据之间的偏差为±3%。

近壁面液膜层中微孔注气气泡动力学研究

为了降低近壁面沸腾过程中气泡动力学分析的不确定性,利用光谱共焦传感器构建了7 mm的液膜层,对近壁面液膜层中单孔注气气泡动力学进行了系统研究。实验测试段为270 mm×6 mm×12 mm(长×宽×高)的矩形通道,注气小孔的直径为0.49 mm,气体流量为0.30~27.00 mL/min,液体流量为72.00~324.00 mL/min。研究结果表明:在流动和静止液膜中,不同气体流量下气泡的接触线直径均先增大后减小;受到液体水平曳力的影响,相同气体流量下,气泡在水平流动液膜中的脱离频率比静止液膜中大,脱离体积比静止液膜中小,并且气泡会沿流动方向倾斜,气泡前进接触角与后退接触角的差值随着液体流量的增加而增加;近壁面液膜层中注气气泡动力学的实验研究精确地测量了气泡接触线直径以及接触角等形状参数,为相似工况下沸腾气泡的受力分析研究提供重要参考。