【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,各種高科技領(lǐng)域的設(shè)備逐漸向高功率、集成化、微型化發(fā)展,因此對高熱流密度散熱提出更加嚴(yán)格的要求。核態(tài)沸騰具有在較小的過熱度下可實現(xiàn)高功率散熱的特點,被認(rèn)為是最有前景的一種散熱方式。由于沸騰過程中,氣泡生長伴隨著復(fù)雜的質(zhì)量、動量、能量傳輸以及界面相互作用,因此沸騰換熱的研究具有一定的難度。例如在地面常重力環(huán)境中,氣液兩相密度差異和重力引起的浮力對流效應(yīng)被認(rèn)為是控制氣泡動力學(xué)和傳熱的主要機(jī)理。在此過程中,其他效應(yīng)如慣性力、表面張力等由于遠(yuǎn)小于浮力,常常被忽略。這就導(dǎo)致對沸騰換熱的機(jī)理的理解還只是片面的,不具有普遍性。微重力環(huán)境可削弱重力引起的浮力對流效應(yīng),能揭示氣泡動力學(xué)特征,為研究沸騰換熱機(jī)理提供了一種可靠的途徑。鑒于目前地面上進(jìn)行短時微重力實驗時微重力水平不高,且不能滿足長時間的實驗需求,同時開展空間微重力實驗的消費太高且實驗機(jī)會較少,并且需要長達(dá)數(shù)年的科學(xué)論證,因此難于開展大量的沸騰實驗。相對而言,數(shù)值模擬方法作為一種低成本高效率的工具,對揭示沸騰傳熱機(jī)理具有重要的意義。為此,本文基于相場法,利用相場函數(shù)來描述過冷核態(tài)池沸騰過程中氣液兩相自由界面演化過程,考慮加熱面上的過熱液體層和溫度梯度驅(qū)動的Marangoni對流影響,重點對微重力環(huán)境下氣泡在加熱面上的生長、脫附與否的動態(tài)行為及傳熱性質(zhì)進(jìn)行研究,探索微重力環(huán)境下沸騰換熱的機(jī)理。本論文得到如下主要結(jié)論:論文的第一部分,基于標(biāo)準(zhǔn)的動量傳輸方程、連續(xù)性方程以及對流換熱方程,建立單個氣泡的2D軸對稱生長模型。其中動量傳輸方程耦合表面張力和Marangoni力,連續(xù)性方程和對流換熱方程耦合相變效應(yīng),考慮加熱面上存在過熱液體層的影響,在模型中引入相場函數(shù)捕捉氣液界面的動態(tài)變化,通過方程間的耦合求解得出氣泡在過冷沸騰過程中的基本變化規(guī)律。隨后采用不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析,并且分析相場法在應(yīng)用到氣液等大密度比情況下的相泄露情況。本數(shù)學(xué)模型不僅從定性的角度,還從定量的角度重復(fù)文獻(xiàn)中微重力物理實驗的結(jié)果,即當(dāng)過冷度增加到一定程度時,氣泡將粘附在加熱面上并保持恒定的尺寸不變,驗證本數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬方法在模擬計算微重力下過冷核態(tài)池內(nèi)沸騰過程中的適用性和正確性。論文的第二部分,基于上述數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的數(shù)值方法,對微重力過冷核態(tài)池內(nèi)沸騰過程中的2D軸對稱單個氣泡動力學(xué)以及傳熱進(jìn)行分析和計算。分別研究有效重力、壁面接觸角和加熱面過熱度三個因素對可脫附氣泡以及不可脫附氣泡的動力學(xué)影響,建立氣泡生長曲線,提出臨界過冷度的概念(在某一過冷度條件下,氣泡的蒸發(fā)速率等于其冷凝速率),并分析傳熱特性。結(jié)果表明隨著有效重力的增加,生長時間和脫附半徑均減小,但臨界過冷度增大;氣-液-固三相接觸線處的接觸角越大,氣泡的脫附半徑越大,但相應(yīng)的臨界過冷度越小;隨著壁面過熱度的增加,氣泡生長時間迅速減小,但脫附半徑和臨界過冷度都相應(yīng)的增大。可脫附的氣泡由于脫附過程中伴隨著“重潤濕”和尾流效應(yīng),具有較高的傳熱效率;相反不可脫附的氣泡將一直粘附在加熱面上,并在該位置處形成“干斑”,阻礙熱量的傳遞,傳熱效率較低。論文的第三部分,基于第一部分建立的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法,考慮到在沸騰過程中氣泡在加熱面上自由遷移的動態(tài)行為,建立2D單個氣泡的模型。同樣考慮過熱液體層和溫度梯度驅(qū)動的Marangoni對流,分析微重力條件下過冷核態(tài)池內(nèi)沸騰中氣泡遷移、氣泡動力學(xué)、流場和溫度場、以及傳熱的變化。結(jié)果表明,氣泡生長過程中,氣泡形狀從最初的半球形變成橢球形,最后變成脫附時的梨形。在2D單個模型中,由于無軸對稱邊界條件限制,液體流動的作用使氣泡可以在加熱面上自由遷移,并且呈非對稱結(jié)構(gòu)。氣泡的脫附直徑正比于g~(-0.488),脫附周期正比于g~(-1.113),加熱面上平均熱通量正比于g~(0.229)。本文通過數(shù)值模擬方法,考慮過熱液體層和溫度梯度驅(qū)動的Marangoni對流,初步研究微重力下過冷核態(tài)池內(nèi)沸騰氣泡動力學(xué)和傳熱行為,為相關(guān)的空間科學(xué)實驗研究提供了參考。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK124
【圖文】：

沸騰還可以分為飽和沸騰和過冷沸騰（又稱欠熱沸騰）兩類，體工質(zhì)溫度等于或者略高于系統(tǒng)壓力下對應(yīng)的飽和溫度，加熱面在浮力作用下穿過液體，并從自由表面逸出（常重力條件），或在并形成大氣團(tuán)（微重力條件）；而過冷沸騰中液體工質(zhì)溫度低于系的飽和溫度，加熱面上生成的氣泡可以在接觸過冷液體時凝結(jié)，氣泡，形成微氣泡發(fā)射沸騰現(xiàn)象（Microbubble Emission Boiling內(nèi)沸騰模式與傳熱曲線究池內(nèi)沸騰的不同模式以及對應(yīng)的傳熱曲線特征，可以了解支配中的基本物理機(jī)制。圖 1.1 中給出了常壓條件下飽和水的沸騰曲沸騰模式。按照加熱面過熱度或熱流密度的不同，整個沸騰曲線幾個不同模式[26]：

氣泡合并兩個或者兩個以上的氣泡在生長過程中，不斷接近時將會發(fā)生氣95 年 Oka 等[32]研究在拋物線飛行中正戊烷、CFC-113 以及水在透池沸騰問題，在拋物線飛行過程中，重力水平達(dá)到 0.02z eg g ≈ ， 5s，發(fā)現(xiàn)在微重力下正戊烷和 CFC-113 中的氣泡通過在加熱面上，但是水中的氣泡合并是通過加熱面上稍大的氣泡吸引加熱面剛泡，即豎直方向上的合并。他們認(rèn)為這是由于水和其他兩種液體合并行為來源于表面張力和潤濕性的差異。同時在落塔實驗中，在 CFC-113 沸騰合并過程中出現(xiàn)“液島”的結(jié)構(gòu)，這是由于氣泡在過程中，在氣泡接觸前沿上加熱面上還存在著少部分液體，當(dāng)合存的液體成為“液島”，見圖 1.2，在壁面溫度較高的情況下，“液島可能形成“雙層氣泡”結(jié)構(gòu)。

文理最早由 Han 和 Griffith[45]提出，即氣泡脫離后處占據(jù)的較熱空間，使得加熱面瞬間被冷卻，kic 和 Rohsenhow[46]進(jìn)一步發(fā)展和驗證上述模型設(shè)氣泡脫附后將其周圍兩倍直徑范圍內(nèi)的過熱與加熱面接觸，在生長過程中，沒有發(fā)生壁面在等待時間期間內(nèi)，即氣泡脫附后到新的氣化熱過程中。因此氣泡脫附后的瞬態(tài)導(dǎo)熱被認(rèn)為是

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 周樂平;李媛園;魏龍亭;杜小澤;王補(bǔ)宣;;汽泡間的碰撞、合并和繞流現(xiàn)象與數(shù)值研究[J];工程熱物理學(xué)報;2013年12期

2 張永海;薛艷芳;魏進(jìn)家;趙建福;龍延;齊寶金;;微重力下微結(jié)構(gòu)表面池沸騰氣泡動力學(xué)研究[J];工程熱物理學(xué)報;2013年11期

3 畢景良;柯道友;林曦鵬;;核態(tài)沸騰中汽泡動力學(xué)及傳熱機(jī)理分析[J];工程熱物理學(xué)報;2012年07期

4 趙建福;李震東;張良;;不同重力條件下單氣泡池沸騰現(xiàn)象的數(shù)值研究[J];空間科學(xué)學(xué)報;2012年04期

5 薛艷芳;魏進(jìn)家;趙建福;李晶;郭棟;萬士昕;;微重力下微結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)化沸騰換熱研究[J];工程熱物理學(xué)報;2012年03期

6 劉剛;趙建福;萬士昕;閆娜;;微重力池沸騰現(xiàn)象中的汽泡脫落直徑[J];工程熱物理學(xué)報;2008年01期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 許春龍;磁重力補(bǔ)償下磁流體的自然對流與沸騰傳熱實驗研究[D];上海大學(xué);2015年

2 金效興;低微重力場下池內(nèi)沸騰氣泡動力學(xué)及傳熱數(shù)值模擬[D];上海大學(xué);2014年

本文編號：2819970