Dynamics of Discrete Bubble in Nucleate Pool Boiling on Thin Wires in Microgravity

A space experiment on bubble behavior and heat transfer in subcooled pool boiling phenomenon has been performedutilizing the temperature-controlled pool boiling (TCPB) device both in normal gravity in the laboratoryand in microgravity aboard the 22^(nd) Chinese recoverable satellite. The fluid is degassed R113 at 0.1 MPa andsubcooled by 26℃ nominally. A thin platinum wire of 60 μm in diameter and 30 mm in length is simultaneouslyused as heater and thermometer. Only the dynamics of the vapor bubbles, particularly the lateral motion and thedeparture of discrete vapor bubbles in nucleate pool boiling are reported and analyzed in the present paper. It'sfound that these distinct behaviors can be explained by the Marangoni convection in the liquid surrounding vaporbubbles. The origin of the Marangoni effect is also discussed.

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.

微重力池沸腾中的气泡行为实验研究

采用图像分析方法,对实践十号返回式科学实验卫星沸腾气泡实验项目获得的微重力单气泡过冷沸腾实验图像进行研究,提取并分析了微重力条件下单个气泡的生长过程.实验中观察到气泡激发形成、稳定黏附生长和滑移三个阶段,其中气泡稳定黏附生长又可分为底部扩张与回退两个子阶段.在气泡稳定黏附生长的底部扩张子阶段,气泡半径可以表示为时间的指数函数,时间指数从初期小气泡时的0.42减小到中期的0.28,最终趋于0.气泡尺寸在气泡底部收缩之初略有回调,随后再次缓慢增大,直到过冷液体完全侵入气泡底部,使气泡与加热面脱离,并在外界扰动作用下在加热面上滑移.相关数据可以作为沸腾现象中气泡热动力学分析的依据.

重力条件对沸腾汽泡特性的影响

根据汽泡动力学原理,建立了壁面上沸腾汽泡的数学模型.分别计算了在不同重力条件和不同壁面流动条件下的汽泡特性参数,包括汽泡的脱离直径和鼓泡频率.比较了重力和强迫对流对汽泡特性的影响.提出了一种比较微重力条件和地面条件下核态沸腾的类比关系式,这一关系式对于将地面沸腾实验结果类比到空间微重力条件下具有一定的指导意义.

孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究

利用中国科学院国家微重力实验室北京落塔提供的3.6 s微重力时间开展了短时微重力条件下的池沸腾实验研究,分析了微重力条件下孤立的单个气泡生长过程特征.实验中采用掺杂磷的N型光滑硅片作为加热面(加热片尺寸10 mm×10 mm×0.5 mm),以含气率0.0046(气液摩尔分数比)的FC-72作为工质,利用恒流源对加热片通电加热.通过对实验观测到的单个气泡生长图像及相应传热数据分析可知,经典传热机制控制的气泡生长模型可以描述其早期特征.相关模型中经验参数的拟合结果在文献报道的数值范围内,表明重力对气泡生长早期影响较小,但较大的气泡尺寸可以提供更准确的数值结果.

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响,通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明,低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾,气泡生长合并过程缓慢,仅大芯片表面气泡脱落,并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾,气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片,脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径,进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时,小芯片处于膜态沸腾状态,沸腾换热显著恶化;而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此,增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离,提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上,虽然进入膜态沸腾换热状态,但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移,从而缓和了芯片温度上升速率.

常/微重力下微结构表面强化沸腾换热研究进展

表面改性是提高沸腾换热性能的重要手段。本文以自主开发的微结构表面为基础,简述了近三年来常重力条件下的微/纳结构表面强化池沸腾换热、临界热流密度预测模型及经验关联、微重力条件下(重力水平为10^(-2)～10^(-3)g0,g0=9.8m/s^2)加热面尺寸对沸腾换热的影响和气泡动力学等方面的研究进展。对柱状微结构参数和排布方式进行优化后的多尺度复合微结构表面相比柱状微结构表面和光滑表面,其壁面温度可分别降低8K和30K以上,而临界热流密度(CHF)则分别提高了28%和119%以上。体积分数为0.02%的乙醇/银纳米流体相对于单纯的乙醇工质,相同条件下换热壁面温度可降低8～15K,而机械作用对CHF约有25%的提高。通过对柱状微结构的几何参数以及临界发生时的供液机理研究,建立了考虑柱状微结构参数的CHF关联式、微/纳结构表面考虑液体毛细芯吸作用的CHF预测模型以及考虑液体铺展速度的CHF预测关联式。根据微重力下加热面尺寸对沸腾的影响的研究,提出了基于恒定热流密度的换热预测关联式。考虑微重力条件下主气泡和小气泡的表面张力,对传统的气泡脱离直径预测的力平衡模型进行了改进,进一步提高了微重力下气泡的脱离半径的预测精度。此外,对近年来以FC-72为工质的其他强化池沸腾换热微结构表面的研究成果进行了总结,并与自主研发的微结构表面换热性能进行了对比与分析,为今后的研究方向和应用指出了方向。

微重力准稳态池沸腾中的气泡动力学研究

本文实验研究了微重力条件下的准稳态核态池沸腾现象中的气泡动力学特征及其对传热特性的影响,发现在低过冷度沸腾中,聚合汽泡表面的强烈振荡促进了整个加热面上的核化过程与核态沸腾传热;而高过冷沸腾中,聚合气泡在表面张力作用下呈球状,难以覆盖整个加热表面,导致核态沸腾向膜态沸腾的过度过程表现为"核态沸腾+局部的干斑扩展"现象,相应的传热曲线没有明显转折.微重力条件下池沸腾临界热流随过冷度和压力的增加而升高,与地面结果定性相符。

微重力流动沸腾气泡脱离机制

为了研究微重力条件下的流动沸腾换热过程气泡脱离的特点,研究了气泡在脱离过程中的受力情况,推导并给出了气泡在切向方向和垂直方向上的粘滞力、浮力、附加压力、惯性力的表达式,并在此基础上提出了气泡从加热表面脱离特性的分析模型。研究结果表明,在微重力下气泡的长大时间明显比常重力下大,对应的气泡脱离直径比常重力下也大。随着工质流速的增加,气泡的脱离直径逐步变小,当工质流速达到一定值后,常重力和微重力下气泡的脱离半径差别可以忽略不计。

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明:气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g-0.488,脱附周期正比于g-1.113,加热面上的平均热通量正比于g0.229.

液氢空间贮存过程膜态沸腾数值模拟

为实现液氢在空间中安全高效应用,针对微重力条件下液氢膜态沸腾现象,建立了加热细丝浸没在过冷液氢池中的数值计算模型。采用VOF方法捕捉相界面,相变模型选取Lee模型,利用文献中的实验数据验证了模型的准确性。从气泡运动行为和换热特性两方面开展研究,结果发现液体过冷度和重力水平是影响换热机理的两个重要因素。在高重力水平、低液体过冷度的条件下,加热细丝上方持续产生气泡并脱离,随着重力水平的降低,气泡脱离直径和气泡生长时间逐渐增大,流体与壁面间换热量随之降低。在低重力水平、高液体过冷度条件下,气膜附着在加热丝表面不断晃动,没有气泡的产生与脱落现象。对于液体过冷度为2 K,壁面过热度为30 K的工况,气泡是否脱落的临界重力在0.1 g至0.15 g之间。

异质表面的薄膜沸腾过程

本文利用非平衡态分子动力学模拟,对薄膜沸腾过程中三相界面和气泡成核的细节进行了捕捉和可视化,并记录了其内部流动和热特性。结果表明不同于宏观尺度的沸腾过程,抑制气泡成核生长使得薄膜沸腾具有非常优异的传热传质性能。总的来说,粗糙结构缩短了沸腾过程达到稳定状态所需的时间并且提高了过程效率且展现出了在高热流密度散热方面的巨大潜力。表面物理化学性质对沸腾性能的影响本质上归因于对界面热阻的调控机制,增加表面粗糙度、增强表面润湿性和增加亲水区域面积占比均会降低界面热阻进而提高表面的传热传质效率。该工作可为实现快速高效的薄膜沸腾过程提供参考,也可指导设计和优化基于气液相变过程进行传热的固体表面。

微重力单气泡沸腾实验研究

基于SJ-10返回式科学实验卫星单气泡沸腾(SOBER-SJ10)实验装置正交双CCD观测系统特征,开发了基于双目视觉算法的图像分析方法,对空间微重力环境单气泡沸腾实验模式下气泡生长过程进行了定量分析。基于加热面局部温度测点数据,分析了微重力单气泡生长过程中底部温度和热流密度的演化特征。微重力条件下,气泡底部接触线区域维持了高效的相变换热,通过底部接触线区域的蒸发-顶部气液界面的冷凝维持了微重力单气泡沸腾传热。图像与科学数据分析结果,包括微重力条件下单个气泡生长过程中气泡形态演化特征与生长气泡底部局部传热等数据,不仅揭示了微重力沸腾传热性能得以维持的细观机制,也为进一步发展沸腾气泡模型提供了可资校验的实测数据。

短时间微重力池沸腾换热及其临界热流密度机理

研究了复合柱状微结构表面(PF30-60LP)在短时间微重力下的池沸腾传热性能,并与文献中的光滑表面和柱状微结构表面(PF30-60和PF50-120)进行对比.实验结果表明,微重力条件下, PF30-60PL的临界热流密度(critical heat flux, CHF)与光滑表面相比虽有提高,但却明显低于PF30-60和PF50-120,与常重力下所得实验结果存在明显差异.微重力条件下,由于浮力缺失,覆盖于加热表面的大气泡脱离周期远大于常重力条件.大气泡覆盖于表面时间过长,导致新鲜液体补给困难是造成微重力CHF显著降低的主要原因. PF30-60和PF50-120具备非常强的毛细芯吸作用,可显著提高加热面的侧向补液能力,因此其微重力下的CHF相比于光滑表面得到了十分显著的提高.而PF30-60PL由于较大面积光滑通道的存在,表面的毛细芯吸作用被削弱,因此其CHF介于光滑表面和柱状微结构表面之间.提高微重力池沸腾CHF,关键在于提高覆盖于加热面的大气泡的脱离频率和液体对加热表面的补给能力.可行的方法有降低液体工质表面张力或提高表面对液体的毛细芯吸性,通过外部施加电场或声场加速气泡脱离,强化Marangoni对流或采用局部加热法改变Marangoni力对气泡的作用力方向,通过调控气泡合并行为增大气泡合并后释放的表面能从而促进气泡脱离等.