【摘要】：池沸騰換熱是一種有效的熱量傳遞方式,可以滿足日益增長的高熱流密度設(shè)備散熱要求,如何強化沸騰系統(tǒng)的換熱能力,成為目前國際傳熱學(xué)界的研究熱點。影響池沸騰的因素眾多,機理復(fù)雜,通過數(shù)值模擬方法對沸騰進行多尺度分析是研究沸騰相變換熱的新興途徑�；赟-C偽勢模型的格子Boltzmann汽/液相變模型被證明在模擬沸騰、冷凝等汽液相變過程具有一定優(yōu)勢。本文采用改進的Gong-Cheng相變格子Boltzmann(LBM)模型以及新提出的多組分汽/液相變模型,對池沸騰過程的完整過程進行連續(xù)模擬,得到連續(xù)的沸騰曲線,并考慮了多種因素包括液體過冷度、加熱面潤濕性與大小、加熱方式、飽和溫度以及不凝氣等對池沸騰換熱的影響,此外還模擬了表面微結(jié)構(gòu)上的液膜蒸發(fā)與沸騰現(xiàn)象。本文具體的研究內(nèi)容包括:LBM相變模型以及改進和發(fā)展。基于傳統(tǒng)的顯式格式提出了半隱式的演化格式用于提高多相流穩(wěn)態(tài)計算中的收斂速度,對Gong-Cheng相變模型的傳熱方程中的源項進行推導(dǎo)并修正,于單組分的相變模型基礎(chǔ)上提出了多組分多相的相變格子Boltzmann模型用于計算有其它組分存在的相變過程。飽和狀態(tài)下的池沸騰研究。采用改進的相變LBM模型研究了飽和狀態(tài)下的池沸騰現(xiàn)象和沸騰曲線,考慮了諸多因素如加熱面潤濕性、加熱面大小、加熱方式、飽和溫度等對沸騰各個階段的影響,還進一步研究了逐漸加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的沸騰遲滯現(xiàn)象。結(jié)果表明:加熱面大小對飽和池沸騰的影響分三種情況,首先加熱面尺寸較大時對池沸騰影響很小,當其小于轉(zhuǎn)折點時CHF隨加熱面減小升高,最后曲線上無法區(qū)別核態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰階段;控制熱流密度和控制壁面溫度兩種加熱條件下的沸騰曲線區(qū)別主要在于過渡沸騰區(qū),控制熱流條件下會出現(xiàn)明顯的沸騰遲滯現(xiàn)象,但是控制壁溫條件下只在疏水表面上出現(xiàn)了沸騰遲滯;不同飽和溫度和壁面潤濕性下核態(tài)沸騰階段的池沸騰曲線和Rohsenow提出的經(jīng)典理論熱流計算公式吻合很好,并表明所研究宏觀因素對核態(tài)沸騰階段曲線影響不大。過冷狀態(tài)下的池沸騰與Marangoni效應(yīng)。采用改進的相變LBM模型研究了過冷池沸騰中的沸騰曲線,考慮了汽泡周圍的Marangoni效應(yīng)、潤濕性以及過冷度的影響。結(jié)果表明:過冷沸騰中,過冷度越大時汽泡脫離直徑越小、成核周期越長;增大過冷度導(dǎo)致自然對流階段和核態(tài)沸騰初期的換熱系數(shù)升高,而且造成沸騰的CHF增大,但是對于ONB的初始成核過熱度和充分發(fā)展的核態(tài)沸騰階段和膜態(tài)沸騰階段沒有明顯影響。由于Marangoni效應(yīng)的影響,汽泡在熱毛細對流影響下會向高溫側(cè)壁面移動,最終與壁面接觸并達到平衡狀態(tài),換熱系數(shù)隨著Marangoni數(shù)增加而增大但增大速率變緩。含有不凝氣體的池沸騰與模型驗證。采用新發(fā)展多組分相變格子Boltzmann模型,對含有不凝氣的池沸騰過程進行了初步探究,模擬過冷水平板上凝結(jié)過程與理論結(jié)果對模型進行驗證。結(jié)果表明:不凝氣的存在影響了加熱面上汽泡的成核和生長過程,提高了核態(tài)沸騰初期的換熱系數(shù),而穩(wěn)定發(fā)展之后的核態(tài)沸騰及之后過程,低濃度的不凝氣對沸騰曲線影響很小;隨著入口不凝氣濃度的提高,平板上冷凝液膜厚度減小,汽液界面溫度降低,兩者之間的擬合關(guān)系與Sparrow等理論分析得到的關(guān)系式相符,這證明了本文發(fā)展的多組分兩相模型在對含有不凝氣的相變過程進行數(shù)值計算的正確性。微結(jié)構(gòu)表面的液膜蒸發(fā)與沸騰。采用單組分的相變模擬了汽/液界面上的傳熱傳質(zhì)過程,和經(jīng)典的Kucherov-Rikenglaz方程進行驗證;采用單組分模型模擬了三維微結(jié)構(gòu)表面上液膜的蒸發(fā)和沸騰動態(tài)過程,分析了液膜在不同潤濕性表面及不同熱流下的界面變化與傳熱機理過程。結(jié)果表明:隨著熱流密度增大,在親水性強表面的液膜中會出現(xiàn)固定的或者周期性生長破裂的沸騰汽泡,隨著熱流持續(xù)增大中間液膜發(fā)生干涸,而液膜在親水性弱的表面會隨著熱流增大直接斷裂干涸。
【圖文】：

圖 1-1 Nakiyama 池沸騰實驗裝置和沸騰曲線[2, 33]Fig. 1-1 Nakayama’s boiling setup and the typical boiling curve經(jīng)典的沸騰曲線中給出了控制加熱壁面熱流以及控制加熱面過熱度條件下的幾個沸騰階段的換熱曲線，，即依次出現(xiàn)的自然對流（O→A）、核態(tài)沸騰（A→C）、過渡

圖 1-所示），研究了不同重力條件下的汽泡脫離直徑比，得到了很好的效果。但是需要指出的是，Yang汽泡的成核和生長是由平板上的小孔不斷進行充氣完沸騰過程。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124

【參考文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 龔帥;親疏水性對池沸騰傳熱影響的格子Boltzmann方法研究[D];上海交通大學(xué);2015年

本文編號：2649417