【摘要】：過冷流動沸騰是指主流液體溫度低于飽和溫度,加熱壁面周圍液體已達到飽和溫度,加熱表面雖有氣體產(chǎn)生,但隨即凝結(jié)在過冷液體中的沸騰流動傳熱現(xiàn)象。在航空、航天和核動力等高科技領(lǐng)域中,管內(nèi)高熱流密度下過冷流動沸騰傳熱的應(yīng)用十分廣泛。在工程應(yīng)用中,多數(shù)窄縫流道換熱設(shè)備的冷卻介質(zhì)大都會處于過冷狀態(tài),由于高熱流密度的影響,過冷流動沸騰傳熱在整個設(shè)備的換熱中起著非常重要的作用。因此,研究管內(nèi)過冷流動沸騰傳熱是非常必要的。本文圍繞管內(nèi)過冷流動沸騰傳熱問題開展了一系列研究,主要工作和成果如下:(1)研究管內(nèi)過冷流動沸騰兩相流特征點,包括過冷沸騰起始點、過冷沸騰有效空泡起始點、臨界熱流密度等。建立過冷流動沸騰特征點的實驗數(shù)據(jù)庫;收集過冷沸騰起始點、過冷沸騰有效空泡起始點及臨界熱流密度等的計算模型與經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,分析流動參數(shù)及有關(guān)無量綱參數(shù)對特征點的影響。根據(jù)數(shù)據(jù)庫實驗數(shù)據(jù)分析比較發(fā)現(xiàn):沸騰起始點模型中Sato Matsumura模型的預(yù)測效果最好;有效空泡起始點模型中Dix模型表現(xiàn)較好;臨界熱流密度模型中適用性最好的關(guān)系式是Hall Mudawar模型。此外,對質(zhì)量流速、壓力、過冷度、截面尺度等參數(shù)、以及有關(guān)無量綱參數(shù)對特征點的影響進行了分析。通過對過冷流動沸騰兩相流特征點的研究,深入了解和掌握過冷流動沸騰傳熱過程,且在過冷流動沸騰傳熱的工程應(yīng)用中應(yīng)該促使過冷沸騰起始點與過冷有效空泡起始點的發(fā)生而避免臨界熱流密度的發(fā)生。(2)本文詳細的回顧了26個過冷流動沸騰傳熱計算模型,建立管內(nèi)過冷流動沸騰傳熱與流動特性的實驗數(shù)據(jù)庫。利用數(shù)據(jù)庫內(nèi)實驗點對26個過冷流動沸騰計算模型的預(yù)測值與實驗值進行誤差分析,其中誤差最小的是Baburajan模型,其平均絕對誤差是21.8%。分析發(fā)現(xiàn)過冷流動沸騰傳熱系數(shù)與流速/質(zhì)量流量,壓力及過余溫度均呈遞增關(guān)系,且在不同的實驗條件下表現(xiàn)較好的模型也不同。本文深入對過冷流動沸騰進行了機理研究,根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的實驗數(shù)據(jù),通過對多個無量綱數(shù)分析,利用最小二乘法,擬合出新的過冷流動沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式,其平均絕對誤差值為11.5%,平均相對誤差值為0.97%。通過對過冷流動沸騰傳熱計算模型的研究,使過冷流動沸騰傳熱過程更加清晰,計算模型更加精確。(3)管內(nèi)過冷流動沸騰換熱的數(shù)值模擬研究。建立合理的物理模型,采用FLUENT中的RPI模型的計算方法,壁面RPI模型以熱量平衡為校驗基礎(chǔ),通過計算氣泡參量,循環(huán)迭代壁面溫度,求得壁面氣液相變量,從而精確描述了過冷流動沸騰現(xiàn)象。用實驗結(jié)果與計算結(jié)果進行對比驗證,并與過冷沸騰特征點計算模型和新關(guān)聯(lián)式對比,分析過冷流動沸騰的流動與傳熱特性,為過冷流動沸騰傳熱的研究和應(yīng)用提供參考。(4)基于已驗證的管內(nèi)過冷流動沸騰數(shù)值計算模型,對偏濾器水冷系統(tǒng)的過冷流動沸騰研究。提出偏濾器水冷系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法,得到偏濾器水冷結(jié)構(gòu)固體材料的溫度分布及冷卻管道內(nèi)的流場與溫度場分布;研究進口流速、進口溫度及加熱壁面熱流密度等因素對偏濾器水冷系統(tǒng)的影響;對偏濾器水冷系統(tǒng)的冷卻管外形提出改進設(shè)計,為偏濾器的應(yīng)用提供有益參考。
【圖文】：

圖 1.1 水的沸騰曲線（大氣壓）無論是池沸騰還是流動沸騰，，熱流密度 q、傳熱系數(shù)（Tw是壁面溫度，Ts是液體飽和溫度）之間存在某種關(guān)系，前人通過實驗證明過，沸騰熱流密度 q 隨壁面Nukiyama[1]在比較系統(tǒng)和全面的實驗基礎(chǔ)上得到了 q－

圖 1.2 管內(nèi)流動沸騰的流動機理度下的過冷流動沸騰傳熱液溫低于飽和溫度，加熱表面雖有氣體產(chǎn)生，但隨即管內(nèi)高熱流密度下的過冷流動沸騰如圖 1.3 所示，單
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124

【參考文獻】

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本文編號：2623463