池内核态沸腾中单个汽泡生长和传热机理的研究

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沸腾传热被认为是最有效的换热方式之一。为了更加完整地阐明沸腾过程中汽泡生长脱离的规律以及沸腾传热的机理,近期的研究者对沸腾传热过程中涉及的各种传热方式进行了综合考虑。沸腾传热是一个比较复杂的过程,在沸腾过程中沸腾表面可以分为两个区域:汽化核心区域和非汽化核心区域。在单个汽化核心区域内,随着汽泡的生成,汽泡的底部形成了一层厚度为微米级的微液层。在池内饱和沸腾中,单个汽泡的生长过程所需要的热量由汽泡底部的微液层蒸发提供以及汽泡外的过热液层提供,而前者提供的热量远远大于后者。当汽泡长大到一定的尺寸以后开始脱离壁面,此时周围较冷的液体补给到汽泡原来的位置上重新被壁面加热,如此循环则在沸腾过程中生成了连续不断的汽泡。本文主要关注于微液层蒸发传热对汽泡生长的作用,并且在前人研究的基础上综合考虑了不同的传热方式对沸腾总传热量的贡献。  为了研究沸腾过程中汽泡的生长规律,基于现代科学对汽泡生长的观察以及对汽泡生长规律更新的认识,本文对赵耀华教授动态微液层蒸发模型进行了补充,得出了汽泡生长时间(tg、 td)和汽泡脱离尺寸(Vd,Dd)的计算公式。动态微液层蒸发模型将汽泡生长过程分成初期生长阶段和后期生长阶段两个阶段,假设汽泡在初期阶段汽泡体积保持半球形增长。本文假设汽泡准备脱离壁面时汽泡为球形并且与壁面之间由一个垂直的颈部相连。通过理论计算得出了在后期生长阶段汽泡的体积与时间的关系为Vb~t2。为了验证模型的适用范围,本文对不同工质的汽泡的尺寸参数和生长时间参数进行了预测,并且将预测曲线与文献中的实验数据进行了对比。对比结果表明:本模型对水、FC-72、FC-77的预测曲线与文献中实验数据吻合较好,尤其对于单个凹穴的汽泡生长实验以及观测到汽泡在初期为半球形的实验预测精度较高。  与此同时,为了进一步研究沸腾传热的主要机理,在前人研究的基础上本文综合考虑了三种主要传热方式,并且修正了汽泡影响区域(a)的计算式,该修正式对于讨论沸腾传热的主要机理起到了关键性的作用。经过对沸腾总传热量计算式的修正,本文首次通过理论公式计算证明了沸腾传热主要机制是随着壁面温度的变化而变化的,而并不是固定为微液层蒸发、瞬态导热和自然对流中的某一种机制。在低热流密度下,液体主要通过自然对流的方式从壁面带走热量;在中等热流密度下,随着汽泡数量增多自然对流逐渐减少直到为零,而等待时间内的瞬态导热成为了主要机理;在高热流密度下,汽泡的数量逐渐增多,汽泡影响区域减少,瞬态导热降低,此时微液层蒸发传热成为了主要的传热机理。以文中预测的水的沸腾传热为例,当ΔTw≤6 K时,自然对流为主要传热方式,当6K<ΔTw≤12 K时,瞬态导热的贡献最大(占总传热量的40%~75%),当ΔTw>12 K时,微液层蒸发传热成为了沸腾过程中最主要的传热机理(占总传热量的50%以上)。在计算沸腾总传热量时,其中一个关键值是汽化核心密度。本文采用前人用水和丙酮等液体在铝和不锈钢上得出的半经验公式,带入修正了的总传热量公式中进行计算,用计算出的水和丙酮的沸腾曲线与他们的实验数据进行比较,结果表明二者吻合很好,这说明本文的计算是正确的。采用该汽化核心密度半经验公式对其他工质在其他壁面上沸腾曲线进行预测,预测精度普遍较低,这说明加热面材料物性对汽化核心密度的影响较大。另外,即使同种材料的加热面有其他固体颗粒的沉积,也需要对原汽化核心密度计算式进行再次修正。
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