论文部分内容阅读
沸腾过程因相变潜热的释放而具有极大的热传递能力,不论在地面常重力环境还是空间微重力环境都有十分重要和广泛的应用。气泡作为沸腾传热过程中流动的主要表现形式和热量传递的载体,成为研究沸腾(尤其是核态沸腾)过程的关键。气泡热动力学研究的是相变形成的气泡的行为和演化过程,及相关两相流动与沸腾传热特性,以揭示沸腾传热的内在机理。本论文综合利用空间实验、落塔实验以及地面实验对微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特性和传热性能进行了系统研究,讨论了过冷度、压力、加热过程等因素的影响。通过实验观测与机制分析等方法,从宏观参数(如整体平均的传热性能、气泡宏观运动参数等)入手,对微重力池沸腾现象内在机理(如气泡底部微液膜蒸发与演化、加热壁面附近局部相变换热过程等)进行了深入探讨。
本论文主要包含三部分内容:
1)SJ-8卫星搭载准稳态池沸腾实验(QSPB/SJ-8)数据的深化分析。整理分析了SJ-8卫星搭载实验所获得的光滑平板表面准稳态池沸腾传热空间实验数据与气泡热动力学特性图像资料,计算得到了微重力条件下连续的准稳态沸腾传热曲线,发现微重力下沸腾传热曲线较常重力平缓,临界热流约为地面的1/3,并随过冷度/压力的减小而降低。过冷度影响着沸腾模式的转变方式:高过冷度时核态沸腾向膜态沸腾的过渡呈现出“核态沸腾+局部的干斑扩展”特征,为渐变过程;低过冷度时则为突变过程,源于聚合气泡表面剧烈振荡。
2)短时微重力条件下准稳态池沸腾现象中孤立气泡生长过程的落塔实验研究。开展了落塔非稳态加热的沸腾传热实验,数据分析表明在3.6s的微重力时间内沸腾传热特性与稳态实验结果相同,表明实验过程能够达到准稳态。捕捉并分析了短时微重力条件下核态池沸腾现象中的孤立气泡生长过程,发现气泡等效直径最初正比于生长时间的平方根,比例系数为5.6,处于文献报道的热扩散控制生长模型范围(2.5～16.7)内;气泡生长后期尺寸增长变慢,甚至略有下降。
3)集成式多功能组合加热器研制。针对SJ-10空间实验装置开展了关键技术——集成式多功能组合加热器的研制。加热器采用局部过热原理激发“种子”气泡的生成,实现气泡的时-空精确定位,并在背部主加热器的输入热流作用下持续生长。同时,加热表面集成有微型Pt薄膜热电阻,用来测量加热表面瞬态温度变化,并作为数值重构加热器内三维瞬态温度场与热流场演化过程的边界条件,以揭示微液膜蒸发与局部干斑扩展规律等。地面测试与分析表明,集成式多功能组合加热器能够满足设计要求。