汽/氣液兩相流動(dòng)由于具有可觀的傳熱傳質(zhì)特性,在核反應(yīng)堆工程、化學(xué)工程以及航空航天工程等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。其中,相分布、壓降、沸騰換熱以及兩相流動(dòng)失穩(wěn)等問題對(duì)工業(yè)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性與安全性至關(guān)重要,一直受到研究者們的廣泛關(guān)注。目前,越來越多具有大比表面積的窄小流道被應(yīng)用到了實(shí)際工程中。在窄小流道內(nèi),汽(氣)液界面受到的表面張力與流道壁面的限制作用十分明顯,汽泡動(dòng)力學(xué)行為以及流動(dòng)沸騰現(xiàn)象與常規(guī)流道相比具有一定差異。然而,兩相界面形態(tài)的演變機(jī)理及其對(duì)流動(dòng)換熱與流動(dòng)失穩(wěn)的影響機(jī)制至今仍不清晰;不同尺寸流道內(nèi)的兩相流動(dòng)特征,壓降模型、沸騰換熱模型、汽泡附壁接觸直徑分布模型以及流動(dòng)失穩(wěn)預(yù)測模型等還有很大的改進(jìn)空間。本文以去離子水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì),在不同流道以及不同工況下對(duì)絕熱兩相流動(dòng)與沸騰兩相流動(dòng)的汽(氣)液界面形態(tài)、汽(氣)泡動(dòng)力學(xué)特征、沸騰換熱以及兩相流動(dòng)失穩(wěn)開展了可視化實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)絕熱氣-液兩相流動(dòng),發(fā)現(xiàn)Taylor氣泡的界面形態(tài)受到了流道內(nèi)徑與氣相流量的顯著影響。在小流道內(nèi),表面張力相對(duì)于粘性力與浮力所占的比重較大,Taylor氣泡的界面十分光滑且規(guī)則。隨著流道內(nèi)徑的不斷增大,表面張力所占份額逐漸減小,Taylor氣泡的界面波動(dòng)逐漸增強(qiáng);尾流的渦旋與剪切效應(yīng)還會(huì)造成Taylor氣泡尾部的破碎,且該效應(yīng)隨著氣相流量的增加而明顯增強(qiáng)。基于以上研究,本文建立了同時(shí)適用于不同內(nèi)徑流道(Din=1.00mm~Din=6.00 mm)的彈狀流流動(dòng)壓降預(yù)測模型;該模型考慮了表面張力以及兩相相互作用的影響,預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比誤差均在±25%以內(nèi)。對(duì)于沸騰兩相流動(dòng),在小流道(Din=2.15 mm)內(nèi),一旦達(dá)到ONB點(diǎn)(Onset of Nucleate Boiling),FDB點(diǎn)(Fully Developed Boiling)與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)沸騰點(diǎn)快速出現(xiàn),流型由單相液體快速地轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鳌４送?小流道內(nèi)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)沸騰條件下的壓降波動(dòng)主要?dú)w因于彈狀流中汽彈的周期性演化。結(jié)合本文的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,基于Chen關(guān)系式的思想建立了同時(shí)適用于不同內(nèi)徑流道(Din=2.15 mm~Din=6.88 mm)的沸騰換熱模型;該模型考慮了流道壁面的限制作用(Nconf),沸騰強(qiáng)度(Bo)以及兩相相互作用強(qiáng)度(Xtt)的影響;模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值相比,誤差均在±30%以內(nèi)。此外,本文基于四面可視化矩形窄流道對(duì)沸騰汽泡行為開展了實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)在汽泡聚合過程中,厚液膜的捕獲主要?dú)w因于泡間液膜破裂所導(dǎo)致表面張力的改變;當(dāng)存在于汽-液-固三相接觸線的表面張力大于厚液膜與周圍液體間壓差引起的作用力時(shí),厚液膜被反向排入主流流體,即厚液膜的破裂過程。此外,泡狀流向彈狀流的轉(zhuǎn)變過程主要?dú)w因于多汽泡間的連續(xù)聚合現(xiàn)象;而且,在本實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)泡底厚液膜內(nèi)存在明顯的二次核態(tài)沸騰現(xiàn)象。在窄流道內(nèi),汽泡附壁接觸區(qū)域的密度主要受到汽泡核化率與聚合率的共同影響。本文采用Inverse Gaussian分布函數(shù),針對(duì)汽泡附壁接觸直徑建立了預(yù)測其分布參數(shù)ν和λ的數(shù)學(xué)模型,預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值相比誤差均在±30%以內(nèi)。針對(duì)沸騰兩相流動(dòng)失穩(wěn),本文采用帶旁通流道開展了可視化實(shí)驗(yàn)研究,從汽泡動(dòng)力學(xué)以及相界面演化的角度來分析汽泡行為對(duì)流動(dòng)失穩(wěn)的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)三種內(nèi)徑的帶旁通流道內(nèi)(Din=2.15 mm,Din=4.95 mm,Din=6.80 mm)出現(xiàn)沸騰兩相流動(dòng)失穩(wěn)時(shí),流道出口兩相流型均為典型的環(huán)狀流。對(duì)于帶旁通小流道(Din=2.15 mm),由于表面張力以及流道壁面的限制作用十分明顯;在脈動(dòng)起始點(diǎn)以前,兩相流型為典型的泡狀流,且汽泡數(shù)量與尺寸均較小,兩相流動(dòng)狀態(tài)處于穩(wěn)定階段。一旦熱流密度達(dá)到脈動(dòng)起始點(diǎn),由于汽泡尺寸的增加以及汽泡被拉長與聚合,兩相流型由泡狀流快速地轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流,兩相流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象隨即發(fā)生;此時(shí)由于小流道內(nèi)汽相擁塞并導(dǎo)致汽液界面向上游發(fā)展,出現(xiàn)了明顯的倒流現(xiàn)象。對(duì)于較大尺寸的帶旁通流道(Din=6.80 mm),隨著熱流密度的逐漸增加,流型從泡狀流依次向彈狀流、攪混流以及環(huán)狀流發(fā)展,兩相流動(dòng)狀態(tài)也由穩(wěn)定階段逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴环�(wěn)定階段。結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,本文建立了同時(shí)適用于不同內(nèi)徑帶旁通流道(Din=2.15 mm~Din=6.80 mm)的兩相流動(dòng)失穩(wěn)預(yù)測模型;該模型考慮了流道壁面的限制作用(Nconf)、表面張力與慣性力的作用(We)以及系統(tǒng)壓力的影響(ρl/ρg)。該模型對(duì)流動(dòng)失穩(wěn)邊界進(jìn)行了很好的預(yù)測,預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值相比誤差均在±30%以內(nèi)。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK124
【部分圖文】：

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文影響。Tsaoulidis 等人[16]也發(fā)現(xiàn)無論入口條件為 T 型接頭還是 Y 型接頭，毛細(xì)管內(nèi)的氣液兩相流型均沒有顯著差異。楊朝初等人[17]通過可視化手段研究了內(nèi)徑分別為 2.89 mm和 1.44 mm 的三角形截面并聯(lián)小流道內(nèi)的空氣-水兩相流問題。結(jié)果表明流道的截面形狀以及尺寸均對(duì)兩相流型的轉(zhuǎn)變有顯著影響。趙建福[18]分析了泡狀流向彈狀流的轉(zhuǎn)變機(jī)理，認(rèn)為流型轉(zhuǎn)變主要受到了氣泡合并的影響。Pehlivan 等人[19]通過可視化實(shí)驗(yàn)手段研究了微流道和小流道內(nèi)的氣液兩相流問題，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)分為慣性力控制區(qū)域以及表面張力控制區(qū)域。Tomiyama 等人[20]也提出，氣泡尺寸的增大會(huì)造成氣泡形狀和速度的改變，并基于氣泡受力分析將氣泡分為三個(gè)力控制區(qū)：慣性力控制區(qū)、粘性力控制區(qū)以及界面力控制區(qū)。

發(fā)生核化滯后現(xiàn)象時(shí)的加熱壁面過熱度達(dá)到現(xiàn)以環(huán)己烷為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)時(shí)，發(fā)生“核化滯后”現(xiàn)象時(shí)。通過不同研究者的研究發(fā)現(xiàn)，ONB 點(diǎn)與具體的工況、系統(tǒng)壓力、入口過冷度、實(shí)驗(yàn)工質(zhì)質(zhì)量流速以及熱流水平常規(guī)流道內(nèi)開展實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ONB 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱流密增加，并且受到了實(shí)驗(yàn)工質(zhì)質(zhì)量流速的顯著影響。然工質(zhì)入口溫度的增大 ONB 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱流密度會(huì)逐漸減然循環(huán)條件下，ONB 點(diǎn)位置與系統(tǒng)壓力、實(shí)驗(yàn)工質(zhì)質(zhì)密度呈負(fù)相關(guān)性，與流道尺寸關(guān)系不大。張明等人[74]通較，指出系統(tǒng)壓力對(duì) ONB 點(diǎn)的影響可以分為兩個(gè)方面成汽液密度差的減小，使汽泡不易產(chǎn)生和脫離加熱壁；另一方面，系統(tǒng)壓力的增大會(huì)使加熱本體的熱阻增使核態(tài)沸騰提前發(fā)生。

圖 1.3 池沸騰中的汽泡聚合示意圖[113]Fig. 1.3 The schematic diagram of bubble coalescence in the pool boiling[113]通過以往的研究，研究者們認(rèn)為加熱壁面的換熱能力與汽泡的聚合行為[111]。ünal[112]認(rèn)為在球形或者半球形的汽泡與加熱壁面之間存在著一層熱量正是通過這層液膜從加熱壁面?zhèn)鬟f給汽泡。Bonjour 等人[113]提出，的聚合會(huì)使各汽泡底部的微液膜合并成一個(gè)更大的微液膜，該合并后的被 Yu和 Mesler[114]稱為“厚液膜”，如圖 1.3 所示。這種由于汽泡聚合所加厚液膜將使得汽泡底部液層的體積大大增加，它將對(duì)沸騰換熱產(chǎn)生非影響。Mukherjee 和 Dhir[115]通過數(shù)值模擬的手段研究了汽泡聚合過程中力學(xué)行為以及加熱壁面換熱特性。結(jié)果表明，通過對(duì)聚合過程中汽泡底以及聚合后汽泡收縮過程中周圍冷流體的捕獲，汽泡的聚合會(huì)強(qiáng)化加熱熱能力。Wei 等人[116]通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，汽泡底部的傳熱中有 40%是在蒸汽界面間蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)的；而這部分熱量正是來源于厚液膜內(nèi)的導(dǎo)ngoni 對(duì)流。通過 Bonjour 等人[113]以及 Chen 和 Chung[117]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2816896