本文關(guān)鍵詞：親疏水性對(duì)池沸騰傳熱影響的格子Boltzmann方法研究

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【摘要】：微尺度沸騰傳熱機(jī)理及其強(qiáng)化技術(shù)的研究已經(jīng)成為目前國(guó)際傳熱界關(guān)注的熱點(diǎn)。汽-液-固三相接觸線區(qū)域的表面潤(rùn)濕特性(即親疏水性)是強(qiáng)化微細(xì)尺度傳熱的關(guān)鍵。然而,采用實(shí)驗(yàn)方法研究親疏水性對(duì)沸騰傳熱的影響時(shí)難以避免粗糙度等的干擾,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)論受到質(zhì)疑�，F(xiàn)存的宏觀數(shù)值模型則存在不能研究沸騰汽泡成核過(guò)程等缺陷。針對(duì)這些問(wèn)題,本文提出一個(gè)基于介觀格子Boltzmann方法的汽液相變數(shù)值模型并采用該模型研究親疏水性對(duì)池沸騰傳熱的影響。具體的研究?jī)?nèi)容包括:1.改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型研究。在Shan-Chen模型的基礎(chǔ)上,提出一個(gè)新的粒子間作用力形式并結(jié)合精確差分法引入作用力,構(gòu)建了一個(gè)改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型。這一模型可以顯著改善數(shù)值精度和數(shù)值穩(wěn)定性,而且能避免數(shù)值結(jié)果對(duì)松弛時(shí)間的非物理依賴。為了驗(yàn)證模型的可用性,采用該模型研究了液滴在具有潤(rùn)濕梯度的表面上的運(yùn)動(dòng)、合并以及分裂行為,探討了液滴在潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。2.基于格子Boltzmann方法的汽液相變模型研究。在本文提出的改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型基礎(chǔ)上,引入能量方程模型,推導(dǎo)了能量方程源項(xiàng)表達(dá)式,構(gòu)建了一個(gè)基于格子Boltzmann方法的汽液相變數(shù)值模型。該汽液相變模型不需要精確追蹤界面,汽液相變通過(guò)由真實(shí)氣體狀態(tài)方程所決定的熱力學(xué)關(guān)系(即壓力、溫度和密度的關(guān)系)實(shí)現(xiàn)。作為一種真正意義上的汽液相變直接數(shù)值模擬方法,該模型在計(jì)算沸騰問(wèn)題時(shí)不需要初始化存在小汽泡,可以模擬包含成核過(guò)程在內(nèi)的整個(gè)汽液相變過(guò)程。應(yīng)用該模型,研究了微加熱器(點(diǎn)熱源)上的池沸騰傳熱過(guò)程。數(shù)值結(jié)果表明微加熱器可能呈現(xiàn)出與宏觀加熱面不同的池沸騰特性。首次通過(guò)數(shù)值模擬得到了成核時(shí)間、成核溫度等沸騰成核過(guò)程中的重要信息,并研究了親疏水性對(duì)微加熱器上池沸騰過(guò)程的汽泡成核時(shí)間、成核溫度等的影響。3.純親水/疏水表面上潤(rùn)濕性對(duì)池沸騰傳熱的影響研究。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相變模型研究了光滑的純親水/疏水表面上的池沸騰傳熱。模擬中采用有限厚度的加熱面,即考慮了加熱面中的導(dǎo)熱過(guò)程。數(shù)值結(jié)果表明,飽和池沸騰中汽泡脫離直徑隨接觸角和過(guò)熱度的增加而增加。親疏水加熱面存在明顯不同的汽泡脫離形態(tài):在親水表面上整個(gè)汽泡脫離加熱面而疏水表面上汽泡脫離時(shí)會(huì)留下一個(gè)小汽泡作為下一個(gè)汽泡周期的成核點(diǎn)。因而,親水表面上的汽泡周期中存在等待階段(waiting period)而疏水表面上的汽泡周期中則不存在等待階段。疏水表面上的這一汽泡脫離形態(tài)有利于提升沸騰傳熱量。數(shù)值結(jié)果還表明親疏水表面存在不同的沸騰傳熱機(jī)理:親水表面上整個(gè)汽泡下方存在一個(gè)微液層,微液層的蒸發(fā)(microlayer evaporation)是重要的傳熱機(jī)理;疏水表面上汽泡下方不存在微液層(隨著壁面潤(rùn)濕性的減弱,也就是隨著接觸角的增加,微液層會(huì)逐漸消失),三相線區(qū)域具有最低的局部溫度和最高的局部熱流密度,汽-液-固三相接觸線區(qū)域的傳熱(three-phase contact line heat transfer)是重要的傳熱機(jī)理。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相變模型,首次通過(guò)數(shù)值模擬得到了親疏水加熱面上從自然對(duì)流區(qū)經(jīng)核態(tài)沸騰區(qū)、過(guò)渡沸騰區(qū)直至膜態(tài)沸騰區(qū)的沸騰傳熱曲線,捕捉到了沸騰曲線上的核態(tài)沸騰起始點(diǎn)(ONB)、臨界熱流密度點(diǎn)(CHF)和Leidenfrost點(diǎn)。4.親疏水混合表面對(duì)池沸騰傳熱的強(qiáng)化研究。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相變模型研究了光滑的親疏水混合表面上的池沸騰傳熱。采用數(shù)值模擬,可以排除粗糙度的干擾而單獨(dú)研究親疏水性的作用,揭示親疏水混合表面對(duì)池沸騰傳熱的強(qiáng)化機(jī)理。模擬結(jié)果表明,親疏水混合表面上的疏水區(qū)作為汽泡成核點(diǎn),可以有效促進(jìn)汽泡成核并提高沸騰傳熱量。親水區(qū)則可以限制疏水點(diǎn)上汽泡基圓直徑(或三相接觸線)在加熱面上的鋪展,從而有望提高臨界熱流密度。在親疏水混合表面上,存在汽泡成核的疏水區(qū)域的局部熱流密度高于不存在汽泡成核的親水區(qū)域的局部熱流密度。另外,存在一個(gè)使得沸騰傳熱量最高的最優(yōu)疏水點(diǎn)間距,這一間距和成核點(diǎn)之間的相互作用有關(guān)。進(jìn)一步增加疏水點(diǎn)間距將減小汽泡脫離頻率,進(jìn)一步減小疏水點(diǎn)間距會(huì)導(dǎo)致相鄰成核點(diǎn)之間的抑制作用,從而都會(huì)降低池沸騰傳熱量。本文的工作為汽液相變數(shù)值模擬開(kāi)拓了新的研究思路,闡明了加熱面潤(rùn)濕特性(親疏水性)對(duì)池沸騰傳熱的影響,揭示了親疏水混合表面的沸騰傳熱強(qiáng)化機(jī)理,為通過(guò)改變加熱面潤(rùn)濕特性強(qiáng)化沸騰傳熱提供了重要的理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：親疏水性 格子Boltzmann方法 池沸騰傳熱 汽泡 接觸角
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-32
• 1.1 選題背景及意義15-17
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述17-30
• 1.2.1 親疏水性對(duì)池沸騰傳熱的影響17-22
• 1.2.2 親疏水混合表面對(duì)池沸騰傳熱的強(qiáng)化22-25
• 1.2.3 沸騰傳熱的數(shù)值模型25-27
• 1.2.4 格子Boltzmann方法27-30
• 1.3 本論文的主要工作30-31
• 1.4 本章小結(jié)31-32
• 第二章 改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型32-59
• 2.1 數(shù)值模型32-38
• 2.1.1 格子Boltzmann方法(LBM)32-34
• 2.1.2 粒子間作用力形式34-36
• 2.1.3 引入作用力的方法36-38
• 2.2 模型驗(yàn)證38-47
• 2.2.1 非理想氣體狀態(tài)方程p-v曲線的Maxwell construction理論40-41
• 2.2.2 模擬結(jié)果與Maxwell construction理論解的對(duì)比41-47
• 2.3 液滴運(yùn)動(dòng)的數(shù)值研究47-58
• 2.3.1 液滴在潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)下的移動(dòng)和變形48-53
• 2.3.2 液滴在潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)下的合并過(guò)程53-56
• 2.3.3 液滴在潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)下的分裂過(guò)程56-58
• 2.4 小結(jié)58-59
• 第三章 格子Boltzmann方法汽液相變模型59-76
• 3.1 格子Boltzmann方法汽液相變模型59-62
• 3.1.1 改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型59-60
• 3.1.2 能量方程模型以及源項(xiàng)的推導(dǎo)60-62
• 3.1.3 格子Boltzmann方法汽液相變模型的驗(yàn)證62
• 3.2 微加熱器(點(diǎn)熱源)上的池沸騰傳熱數(shù)值研究62-74
• 3.2.1 計(jì)算設(shè)置63-64
• 3.2.2 數(shù)值求解程序驗(yàn)證64-65
• 3.2.3 微加熱器表面汽泡脫離直徑和汽泡脫離周期65-69
• 3.2.4 微加熱器(點(diǎn)熱源)表面汽泡的生長(zhǎng)與脫離69-70
• 3.2.5 微加熱器(點(diǎn)熱源)表面汽泡生長(zhǎng)過(guò)程的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)70-72
• 3.2.6 定熱流工況下微加熱器(點(diǎn)熱源)表面汽泡成核時(shí)間與成核溫度72-74
• 3.3 本章小結(jié)74-76
• 第四章 純親水/疏水表面的池沸騰傳熱研究76-93
• 4.1 基于格子Boltzmann方法的汽液相變模型76-77
• 4.2 光滑表面上親疏水性對(duì)沸騰傳熱的影響77-91
• 4.2.1 計(jì)算設(shè)置77-78
• 4.2.2 親疏水加熱面上的汽泡生長(zhǎng)和脫離78-80
• 4.2.3 親疏水加熱面上的汽泡脫離直徑和脫離頻率80-82
• 4.2.4 親疏水加熱面上溫度場(chǎng)、局部溫度與局部熱流密度分布82-85
• 4.2.5 親疏水加熱面中心點(diǎn)溫度與總熱流密度隨時(shí)間的變化85-87
• 4.2.6 親疏水加熱面上汽泡內(nèi)部和周圍的流場(chǎng)87-88
• 4.2.7 成核點(diǎn)密度88-89
• 4.2.8 親疏水加熱面上的沸騰曲線89-91
• 4.3 小結(jié)91-93
• 第五章 親疏水混合表面的池沸騰傳熱研究93-108
• 5.1 計(jì)算模型93-94
• 5.2 光滑的親疏水混合表面上的池沸騰傳熱94-106
• 5.2.1 計(jì)算設(shè)置94-95
• 5.2.2 兩個(gè)親疏水混合表面上的池沸騰傳熱強(qiáng)化研究95-98
• 5.2.3 親疏水混合表面池沸騰的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和熱流密度98-103
• 5.2.4 疏水點(diǎn)尺寸和疏水點(diǎn)之間的間距的影響103-106
• 5.3 本章小結(jié)106-108
• 第六章 總結(jié)與展望108-114
• 6.1 研究?jī)?nèi)容和結(jié)論108-112
• 6.1.1 改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型108-109
• 6.1.2 基于格子Boltzmann方法的汽液相變模型109-110
• 6.1.3 光滑的純親水/疏水表面上的池沸騰傳熱研究110-111
• 6.1.4 光滑的親疏水混合表面對(duì)池沸騰傳熱的強(qiáng)化111-112
• 6.2 研究的創(chuàng)新性112-113
• 6.3 未來(lái)工作展望113-114
• 附錄114-121
• A 任意狀態(tài)方程的汽化潛熱的推導(dǎo)114-117
• B 定壁溫/定熱流邊界條件的實(shí)施117-119
• C 定壓邊界條件的實(shí)施119-121
• 參考文獻(xiàn)121-135
• 符號(hào)與標(biāo)記135-139
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文139-141
• 致謝141-142

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 ;Simulation of phase transition process using lattice Boltzmann method[J];Chinese Science Bulletin;2009年24期

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本文編號(hào)：885996