微柱结构表面核态沸腾单气泡的数值模拟

利用计算流体力学方法（computational fluid dynamics, CFD）对三维均匀微柱结构表面单气泡核态沸腾过程进行数值模拟研究,使用VOF模型（volume of fluid model, VOF）在界面网格追踪加密的条件下精确捕捉气液界面,同时考虑气液界面和微层处的蒸发,准确获得三维微柱表面单气泡核态沸腾过程中的气泡动力学、温度演化和蒸发换热性能。结果表明,气泡脱离时间为1.79ms,体现了微柱结构促进气泡脱离的强化作用。通过气泡横向和纵向直径的变化准确表征了气泡在脱离过程中的变形过程,并模拟得到该过程流场热边界层及壁面温度的演变规律。同时,通过微层蒸发和气液交界面蒸发功率随时间变化的监测,指出气泡生长过程微层蒸发量占总蒸发量的52%;t=0.95ms后微层蒸发消失,气液界面蒸发维持相对稳定值（0.1~0.2W）直至气泡脱离。蒸发换热特性耦合气泡与壁面接触情况随时间的变化,揭示了单气泡核态沸腾过程蒸发换热机理的阶段性特征及时间分区,为在核态沸腾单个气泡生长脱离过程中更准确划分时间阶段、建立沸腾换热模型奠定基础,提供了参考。     

多孔表面管内高沸点工质的强化流动沸腾换热与阻力特性

建立了带有气液分离器的高沸点有机工质流动沸腾换热实验台,对垂直上升多孔表面管内高沸点有机工质异丙苯的强化流动沸腾换热与阻力特性进行了实验研究,获得了传热系数与压降随干度的变化情况,并与光管内的实验结果进行了比较.另外,还通过实验得到了三个质量流速下的流动沸腾曲线.实验过程中质量流速范围为391～790kg•m^-2•s^-1,实验工况干度范围为0.09～0.58,压力范围为0.16～0.31MPa.通过对实验数据的回归分析,获得了传热系数与摩擦压降的计算关联式.实验结果表明,多孔表面管在强化换热的同时,并没有使阻力增加很多,具有良好的应用前景.     

核态池沸腾换热的数值模拟

以沸腾壁为研究对象 ,以气泡或核心为边界建立了沸腾换热的数学模型 ,进行了核态池沸腾换热的直接数值模拟 ,模拟结果与现有的实验数据具有很好的一致性 ,从而验证了数值模拟的可靠性 .通过数值模拟得到了气泡影响面积系数和气泡扰动强度系数的计算方法 ,揭示了气泡等待时间和沸腾表面温度波动的非线性特征 .     

高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟

采用双流体模型对高压高过冷度下垂直圆管中水的过冷流动沸腾进行了数值模拟。通过对比不同气泡直径模型,揭示了气泡直径对于壁面传热方式的影响,确定了适合高压工况的气泡直径模型。考察了压力及壁面热通量对流动及传热特性的影响。计算结果表明,压力增加气泡脱离直径减小,单相对流传热所占比例增加,表面传热系数减小。高压高过冷度特征决定了气泡相分布极不均匀,随着热通量的增加,壁面附近容易形成气泡的密集,对过冷流动沸腾中的传热特性有重要影响。     

时空调控微柱表面浸润性强化单气泡沸腾换热

微结构耦合浸润性调控是目前强化核态沸腾换热的主要手段,针对水工质在单晶硅微柱表面的核态沸腾过程,采用CFD-VOF三维数值模拟方法,对比研究时间及空间分别调控表面浸润性对沸腾气泡动力学、相界面形变及传热性能的影响。结果表明：亲水性增强使得气泡界面曲率增大、合力增强,促使气泡的脱离;空间调控主要表现为增大气泡体积,时间调控则主要表现为优化气泡动力学过程,提高热流较大的生长阶段在整个气泡周期内的占比,从而强化换热;本实验工况下,空间梯度浸润表面以及在生长阶段提高壁面亲水性,均可大幅度提高单气泡沸腾换热性能,平均热流最大可提高42.7%;考虑微尺度下梯度浸润性加工难度,时间调控浸润性强化沸腾换热具有更好的发展前景。     

临界热流的数值模拟

建立了以加热板为计算域的核沸腾瞬态数值模型,以沸腾表面局部换热为边界条件,对多种工质在不同压力条件下的控制方程、边界条件和计算过程进行了量纲1化处理,并考虑了由核心随机分布产生的气泡重叠效应.数值研究包括模拟整个核沸腾曲线和临界热流（CHF）.研究结果表明平均瞬态活化核心间距和气泡覆盖率可以作为沸腾到达CHF的判据.数值模拟的CHF与表面粗糙度无关,而与饱和压力有关,这与Kutateladze和Zuber等的关系式的结果相符合.     

烧结型多孔表面管外池沸腾传热特性

实验研究了热通量为0.1~160 kW·m^-2时,去离子水在光管及烧结型多孔表面管管外的池沸腾传热特性,分析了换热管布置方式(垂直与水平)、管径大小(20、25和32 mm)与多孔层颗粒尺寸(30~105 μm)对池沸腾传热特性的影响规律。结果表明:去离子水在多孔管表面的起始沸腾过热度小于光管,比光管低3 K左右;多孔表面管可明显强化核态沸腾传热,其沸腾传热系数可达光管的3~4.5倍;大热通量下,换热管水平布置时的传热效果较垂直布置佳,且布置方式对多孔管换热效果的影响比对光管的影响小;随管径增大,光管与多孔表面管的沸腾传热系数降低;大颗粒尺寸多孔层的强化效果优于小颗粒尺寸多孔层。     

纳米孔链双层复合表面过冷池沸腾传热特性

微纳复合多孔结构对相变换热的强化是能源化工领域的重要主题。基于气液协同输运的概念，通过飞秒激光正交扫描加工，在硅片上生成二维嵌套的纳米孔链双层复合多孔结构，实验研究了其对HFE-7100过冷池沸腾传热特性的影响。实验结果表明，相比于光滑表面，多孔表面在35K过冷池沸腾条件下的起始过热度从16.7K下降到12.3K，降低26.3%，最大临界热通量提高128.7%。同时利用高速摄影观察气泡行为来研究强化沸腾传热机理。研究发现，双层多孔结构表面和内部形成的大量连通孔穴大幅度增加了有效成核位点，纳米孔和双层连通结构提供垂直和水平方向的液体补充通道，在高热通量下气泡尺寸更小，脱离更快。有效汽化核心密度增加以及气液自适应协同输运增强了多孔网络中的微液膜蒸发和微对流作用，从而有效提升沸腾换热能力和临界热通量。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

基于气泡动力学分段调控浸润性强化核态沸腾

基于多孔或微结构表面润湿性改性的核态沸腾强化传热,已得到广泛研究。利用CFD-VOF数值模拟方法,针对单晶硅微柱表面单气泡的生长及脱离过程,进行表面浸润性分段调控,实现气泡沸腾换热的全程强化。分别调控初始接触角为48°、60°、90°和110°后,同一时刻 （t = 0.152 ms） 变接触角为20°,对比研究分段调控浸润性对气泡动力学过程与表面换热性能的影响。结果表明：疏水性可提高气泡生长速率,增强微柱表面对气泡的黏附力,促进气泡在微结构缝隙内的横向铺展;t = 0.150 ms时接触角为110° 表面上气泡与底面接触面积增加1.3倍,微层蒸发功率增加1.2倍。需要指出的是,毛细效应随颗粒粒径变化趋势受到多孔介质复杂孔隙结构特征的影响。在当前粒径范围内,认为其具有正相关关系,但在更大范围内的对应关系,还需要在未来进一步深入揭示。     

微小通道内流动沸腾换热的预测新模型

为了得到适用于微小通道内流动沸腾换热的预测方法,本文以近些年发表的9篇文献中的2924个实验数据点组成数据库,考虑到随着通道直径减小,表面张力对微小通道内两相流动和换热的影响起到主要作用,将Chen形式的换热模型中的核态沸腾和对流换热两部分的修正系数进行了优化。沸腾抑制系数和对流增强系数由气相韦伯数、两相雷诺数、沸腾数、气泡抑制数等量纲为1数组成,反映出了表面张力、水力直径、流动条件、热力条件对于换热的综合影响。结果表明,拟合出的微小通道中沸腾换热的新模型,适于预测水力直径3 mm以下的细管道中CHF（临界热流密度）点以前的换热系数。与实验数据比较,新模型预测的平均绝对误差为19.0%。     

针状电极作用下的微细通道流动沸腾传热

为探究电场对微细通道流动沸腾传热的影响,设计了一种针状电极布置方案将电场引入到微细通道中,以制冷剂R141b为实验工质,在设计系统压力为140kPa、入口温度为32.5℃工况下进行流动沸腾实验。研究结果表明：电场对制冷剂R141b在微细通道内的流动沸腾传热效果有显著影响,引入电场会导致过冷沸腾起始点（ONB点）提前,强化了传热效果,相对于无电场的情况,250V、550V、850V这3种电压下达到ONB点所需过热度分别减小了0.6℃、1.26℃、1.78℃;电场能够显著强化位于ONB点后下游区域的沸腾传热,局部传热系数随着电压的增大而增大,在本实验工况下局部沸腾传热系数最大提高了89.7%;将3种传热模型进行对比,发现Sun-Mishima模型预测效果最好,引入电压参数U对其修正,修正后的模型能更好预测本实验工况下的传热系数实验值,平均绝对误差为12.2%。     

基于双流体模型的液氢流动沸腾数值模拟

基于双流体模型,建立了液氢管内流动沸腾的数值模型,在液体Reynolds数67000～660000、壁面热通量16300～317800 W/m²、饱和温度22～29 K、入口过冷度0～8 K的范围内,对管径5.95和6.35 mm的圆管内液氢流动沸腾开展了数值模拟研究,并与试验结果进行了对比。对比显示,液氢流动沸腾传热系数的模拟结果与试验数据的平均误差（MAE）为7.79%,94%的模拟数据都在±20%误差带范围内。     

竖直圆管内液氮流动沸腾传热特性的分析

实验研究了竖直圆管内液氮流动沸腾传热特性,分析壁面温度、流体温度、干度以及传热系数沿实验段管程的变化规律,考察热通量、质量流量和入口压力对液氮两相流动传热特性的影响。针对实验工况分别采用Chen、Klimenko、Shah以及Liu-Winterton关联式对传热系数进行预测,并将实验结果与预测结果进行比较,对不同传热系数区间内的相对误差进行了计算、分析,以评估实验工况范围内各关联式的准确性。结果表明,在传热系数较大的情况下,4个关联式的预测值普遍低于实验值,在整个实验工况范围内,采用Klimenko关联式预测时误差最小。     

甲醇在改进型机加工多孔管上池核沸腾换热特性的研究

测度了甲醇在９根第二代机械加工表面多孔管（ＪＫ－２管）、１根第一代机械加工表面多孔管（ＪＫ－１管）和１根光滑管上的单管饱和池沸腾传热系数,结果表明,ＪＫ－２管比ＪＫ－１管能更有效地强化甲醇的池沸腾传热。提出了一个简化的池核沸腾强化传热机理,并导出了相应的池核沸腾强化的传热关联式,该关联式与实验数据吻合良好。     

铜基正弦波微通道内流动沸腾传热特性试验研究

基于超快激光技术加工铜基正弦波弯曲型微通道,以去离子水为流动工质,在不同质量流量和热通量条件下,对弯曲型微通道内流动沸腾特性进行试验研究。基于温度/压力数据和流动可视化结果,发现通道传热系数随出口干度增大,呈迅速增大后减小并趋于稳定趋势,正弦波微通道相较直微通道具有更好的换热性能,传热系数最大提高127.7%,压降仅增加14.4%。波状通道结构能明显抑制流动沸腾中不稳定现象发生。通过可视化试验发现,随热通量增大,流型经历泡状流-弹状流-环状流的转变,换热主导机制由核态沸腾逐渐过渡到薄液膜蒸发。     

硅基微通道中周期性沸腾的光学可视化

以丙酮为工质,在三角形截面的硅基微通道内进行了微尺度沸腾传热实验研究。在对汽液两相流流型进行光学可视化测量的同时,对压力、温度等信号进行了同步动态测量。发现了周期在毫秒级的微时间尺度的周期性沸腾传热。1个完整的周期可以分成3个子过程：进液阶段,汽泡核化、增长、聚合及爆炸阶段,瞬变液膜蒸发阶段。总结出1个完整周期内所存在的4种汽液两相流流型。鉴别出了沸腾起始点。分析了沸腾传热系数随干度的变化关系,结果表明在本实验工况下：当干度小于0.4时,起主导作用的传热机制为核态沸腾;而当干度大于0.4时,起主导作用的传热机制为强制对流沸腾。     

变截面翅片通道内过冷沸腾可视化试验

以水为介质,对三角多孔翅片（TP）和横排锯齿翅片（TDS）两种变截面翅片通道的过冷沸腾进行了可视化试验。研究了体积流量、过冷度与热通量对过冷沸腾起始位置的影响,通过观察变截面翅片流道内单个气泡形成、生长与合并或脱离的过程,对比分析两种变截面翅片对流沸腾传热强化机理。试验结果表明：TDS翅片通道内气泡从出现到消失的平均周期约为TP翅片的一半;过冷沸腾起始位置随着体积流量的增大,逐渐向流道出口处移动;而随着热通量的增大和过冷度的减小逐渐靠近流道入口处;过冷度对过冷沸腾起始位置的影响比热通量对其的影响更大。     

混合制冷工质R134a/R142b池核沸腾传热强化研究

混合制冷工质的传热性能差,使得其应用受到一定限制,而采用适当的强化传热技术可以大大提高混合制冷工质传热性能。实验的热流密度范围内,在相同的热流密度条件下,非共沸混合制冷剂Ｒ１３４ａ／Ｒ１４２ｂ在机械加工表面多孔管外沸腾传热膜系数是光滑管的１．７８～３．３３倍。