EHD作用下水沸腾过程中气泡行为研究

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电水动力学(electro-hydro-dynamics,简称EHD)强化传热是一种主动强化传热技术,它具有能耗小、结构简单和易实现等优势。基于沸腾时气泡的行为特性是决定EHD强化沸腾传热的主要过程,所以研究电场作用下水沸腾过程气泡行为特性是研究EHD强化传热技术的关键。本文通过自行研制设计的可视化装置实验研究了EHD作用下水沸腾过程中单个气泡行为特性和数值模拟了EHD作用下水从液态变成气态过程中速度、压力等参数变化规律,并根据结果定性分析电场对气泡的生长、破裂等过程的影响,进而一步阐释EHD沸腾强化传热机理。数值模拟结果显示外加电场工况后明显影响了沸腾时水从液态变为气态的过程,主要表现在:外加电场工况后,热源附近的液体流速、压差和蒸汽体积比例增大;热源附近流体速度方向不一致程度明显,场强越大,不一致程度越大。外加电场改变热源附近流体压差、流速等加剧了流体之间对流、扰动程度,从而提高了热源与附近流体之间的传热效率。因传热效率的提高,加快了热源处气泡的成长、脱离等过程,导致热源与流体之间热阻减小进一步提高传热效率。实验结果显示外加电场后,气泡沿着场强方向拉伸变形且变形量与电场强度及热流密度呈正比关系;气泡的脱离周期随着电场强度和热流密度的增大而减小;气泡的脱离长径比随着场强和热流密度的增大而增大,在本实验现有条件下最大值为1.666。气泡的上升速度随着时间的推移逐渐趋向于定值,且定值随着场强的增大而增大;气泡的加速度随着时间的推移逐渐趋向于零,且加速度变化率随着场强的增大而变小。通过以上分析,本文认为电场体积力加剧了沸腾时流体对流、气泡扰动程度,缩短气泡在热源的脱离周期,加快了气泡的上升速度,减小热源与流体之间的热阻,因而提高了沸腾时热源与流体之间的传热效率而加剧了沸腾程度,因此EHD强化传热能产生一定的强化传热效果。
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