本文關鍵詞：液氮核態(tài)池沸騰CFD模擬和可視化實驗

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【摘要】：低溫流體池沸騰因其高效換熱,在工業(yè)機械換熱中有廣泛應用,如低溫空氣分離過程中的冷凝蒸發(fā)器。本碩士論文對液氮(Liquid Nitrogen) LN2過程中的壁面沸騰模型進行模擬研究,并進行實驗驗證、對比及修正。用可視化的方法觀測記錄上述過程,并用CFD (Computational Fluid Dynamics)壁面沸騰模型進行驗證和探究,并對實驗數據和模擬數據進行對比,得到氣泡直徑和頻率的關聯式,修正了現有關聯式,擴大了低溫沸騰關聯式在換熱方面的應用范圍,對低溫流體沸騰換熱的研究具有重要性和必要性。 首先介紹CFD建模的主要過程和關聯式的選擇,同時指出了Fluent的模擬需要建立在測得氣泡脫離直徑,氣泡脫離頻率和活化核心密度等實驗數據的基礎上。建模過程分為前期網格劃分、數值計算和后期Fluent參數處理�；谝旱序v換熱可視化實驗臺進行幾何建模,其中因沸騰表面為重要換熱部分,所以網格需細化,然后導入Fluent中使用Fluent中的Boiling模型進行求解計算。各種重要參數的選擇非常重要,對于氣泡脫離直徑和氣泡脫離頻率使用實驗測量數據,并將計算出的熱流密度和過熱度與實驗測量數據進行對比,其他關鍵參數使用合適的內置模型。 其次,為了獲取LN2池沸騰情況下的氣泡參數,搭建液氮沸騰換熱可視化實驗臺,實驗不僅記錄過熱度和熱流,還特別記錄、分析過熱度對氣泡脫離直徑和脫離頻率的影響,并修正現有關聯式,將其應用于LN2等低溫流體,為此本文設計制作并完善了LN2核態(tài)池沸騰可視化實驗裝置,計劃通過實驗獲取LN2池沸騰時的氣泡脫離直徑,脫離頻率,熱流密度,加熱面過熱度等重要參數。 最后,研究LN2在不同熱流條件(3,000～200,000W/m2),一個大氣壓下的核態(tài)沸騰,并根據氣泡特征將核態(tài)沸騰劃分為三個階段,即低熱流階段(3,000～15,000W/m2),過渡沸騰階段(15,000～30,000W/m2),完全核態(tài)沸騰階段(FDNB, Fully Developed Nucleate Boiling)(30,000～200,000W/m2),并對不同階段的氣泡脫離頻率、脫離直徑進行探究。根據實驗中高速攝像機拍攝的影像資料對沸騰現象進行描述和分類。將實驗測得的數據,即氣泡脫離直徑和氣泡脫離頻率根據公式f1/2Dd=CJα√πα1進行具體分析,分別對低熱流階段和完全核態(tài)沸騰階段進行對比分析并擬合關聯式,與現有關聯式進行對比。將實驗測得的過熱度、熱流密度的數據、CFD模擬數據、文獻數據進行對比,其中CFD模擬數據是將實驗測得的氣泡脫離直徑和氣泡脫離頻率帶入后進行計算�；诘玫降姆序v過程氣泡直徑及頻率,構建了核態(tài)沸騰數值模型得到的過熱度及熱流密度關系,與實驗測量得到的數據吻合。得到結論：在低熱流的情況下,氣泡離散,C=32.12；完全核態(tài)沸騰階段,氣泡以氣泡莖的形式脫離,C=70.62。本研究對于探究核態(tài)沸騰機理有指導性作用,在工業(yè)機械換熱中,如低溫空氣分離過程中的冷凝蒸發(fā)器等的研究也有重要工程應用和參考價值。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK124

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