高过冷度下直管内气液两相传热特性

基于双流体模型,建立了适合高压高过冷工况的过冷沸腾模型,考察了液体过冷度和壁面热通量对垂直圆管内气液两相传热特性的影响。结果表明,高过冷度下整个截面上气相分布十分不均匀,壁面附近气泡比较密集。随着入口过冷度的减小,气相体积分数增加,促进了沸腾传热的发展。随着壁面热通量的增加,表面传热系数沿流体流动方向总体上呈增大趋势,局部区域内出现下降,并且传热系数的下降趋势随入口过冷度的减小逐渐变得不明显。     

过冷流动沸腾中气泡浮升直径的实验及理论研究

研究气泡浮升直径对揭示过冷流动沸腾的传热机理至关重要。为探究流动工况对气泡浮升直径的影响机制,针对发动机缸盖沸腾区域的冷却通道设计了一个水动力相似的矩形实验通道,搭建了过冷流动沸腾可视化实验循环系统。基于该可视化实验系统,研究了系统压力、壁面过热度、流速以及液体过冷度对气泡浮升直径的影响,发现气泡浮升直径随着系统压力、流速以及过冷度的增大而变小,随着壁面过热度的增大而增大。建立了气泡在浮升时刻的力平衡模型,该力平衡模型的预测值与实验值的平均相对误差为12.25%。为了便于工程应用,基于气泡浮升直径的力平衡模型,建立了气泡浮升直径的经验模型,该经验模型的预测值与实验值的平均相对误差为6.80%。     

立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点特性

在系统压力P=412～850 kPa,过冷度△T_sub=4.7～15.0℃,热通量q"=0.11～10.90 kW·m^-2,质量流量G=147.5～443.7 kg·m^-2·s^-1的条件下,对立式和卧式螺旋管内R134a过冷流动沸腾起始点特性进行了实验研究。研究结果表明：当实验系统参数相同时,立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的热通量基本相同,但是立式螺旋管内过冷沸腾起始点壁面过热度小于卧式螺旋管;过冷沸腾起始点的热通量、壁面过热度随着过冷度和质量流量的增大而增大,但随着压力、螺旋直径的增大而减小。通过无量纲分析对实验数据进行非线性拟合,发展了适用于螺旋管过冷沸腾起始点的关联式。     

立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点特性

在系统压力P=412~850 k Pa,过冷度?Tsub=4.7~15.0℃,热通量q"=0.11~10.90 k W·m~(-2),质量流量G=147.5~443.7 kg·m~(-2)·s-1的条件下,对立式和卧式螺旋管内R134a过冷流动沸腾起始点特性进行了实验研究。研究结果表明:当实验系统参数相同时,立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的热通量基本相同,但是立式螺旋管内过冷沸腾起始点壁面过热度小于卧式螺旋管;过冷沸腾起始点的热通量、壁面过热度随着过冷度和质量流量的增大而增大,但随着压力、螺旋直径的增大而减小。通过无量纲分析对实验数据进行非线性拟合,发展了适用于螺旋管过冷沸腾起始点的关联式。     

不同宽度窄缝通道过冷沸腾

以去离子水为实验工质,在窄缝宽度δ=3、4 mm,质量流速G=143、300 kg·m^-2·s^-1,主流过冷度ΔT_sub=17、25℃,热通量q=1～20 W·cm^-2的参数范围内,对常压下竖直窄缝通道内向上流动过冷沸腾的换热规律进行了实验研究。对不同宽度窄缝通道内的同一区域过冷沸腾气泡演变过程进行了可视化实验分析,发现窄缝宽度因素对过冷流动沸腾的流动换热特性和壁面核化特性影响显著,其中包括沸腾起始点ONB,压降ΔP,传热系数h,汽化核心密度N_a,气泡脱离直径D_d,气泡脱离频率f等。     

不同宽度窄缝通道过冷沸腾

以去离子水为实验工质,在窄缝宽度δ=3、4mm,质量流速G=143、300kg·m~(-2)·s~(-1),主流过冷度ΔTsub=17、25℃,热通量q=1~20 W·cm~(-2)的参数范围内,对常压下竖直窄缝通道内向上流动过冷沸腾的换热规律进行了实验研究。对不同宽度窄缝通道内的同一区域过冷沸腾气泡演变过程进行了可视化实验分析,发现窄缝宽度因素对过冷流动沸腾的流动换热特性和壁面核化特性影响显著,其中包括沸腾起始点ONB,压降ΔP,传热系数h,汽化核心密度Na,气泡脱离直径Dd,气泡脱离频率f等。     

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。     

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。     

基于可视化试验的板翅通道内过冷沸腾汽泡行为分析

以水为介质,对板翅式换热器的2种变截面翅片:横排锯齿翅片(TDS)和三角多孔翅片(TP)通道内的强制对流过冷沸腾现象进行了可视化研究。分析了过冷度对汽化核心数的影响;热流密度、体积流量和过冷度对汽泡脱离直径的影响。通过观察强制对流过冷沸腾流型揭示了变截面翅片通道内的沸腾强化传热机理。研究结果表明:2种流道内过冷沸腾流型类似,分为气泡形成区、发展区和消失区;变截面流道气泡平均脱离直径随着体积流量和过冷度的增加而减小,随着热流密度的提高而增大;在相同工况下,TP流道形成的汽化核心数量多于TDS流道;TDS流道的气泡平均脱离直径比TP流道高约1.4倍。     

表面活性剂对水过冷池沸腾特性影响实验研究

以Tween20、Span20及两者复配物为表面活性剂,实验研究了其对水过冷池沸腾传热特性影响。基于实验结果与表面张力、接触角、临界胶束浓度等基础物性分析发现,单一表面活性剂对沸腾传热的影响由其添加种类、浓度及热通量共同决定。一方面,不同于饱和沸腾情形,过冷状态下Tween20能够有效降低沸腾起始点温度与壁面过热度,但其沸腾强化效果在高热通量下减弱;另一方面,Span20只在低浓度下表现出强化效果,其浓度增大将引起壁面过热度大幅攀升。此外,尽管Tween20与Span20都具有强化沸腾传热的潜力,但两者复配表面活性剂在实验研究浓度范围内均恶化了沸腾传热过程。研究结果可为传热强化复合工质过冷池沸腾传热特性分析提供基础依据,并为其配制提供指导。     

基于MUSIG模型的竖直圆管内液氮过冷沸腾数值模拟研究(英文)

Multiple size group （MUSIG） model combined with a threedimensional twofluid model were em ployed to predict subcooled boiling flow of liquid nitrogen in a vertical upward tube. Based on the mechanism of boiling heat transfer, some important bubble model parameters were amended to be applicable to the modeling of liquid nitrogen. The distribution of different discrete bubble classes was demonstrated numerically and the distribu tion patterns of void fraction in the wallheated tube were analyzed. It was found that the average void fraction in creases nonlinearly along the axial direction with wall heat flux and it decreases with inlet mass flow rate and sub cooled temperature. The local void fraction exhibited a Ushape distribution in the radial direction. The partition of the wall heat flux along the tube was obtained. The results showed that heat flux consumed on evaporation is the leading part of surface heat transfer at the rear region of subcooled boiling. The turning point in the pressure drop curve reflects the instability of bubbly flow. Good agreement was achieved on the local heat transfer coefficient aalnst experimental measurements, which demonstrated the accuracy of the numerical model.     

高热流条件下过冷沸腾流动阻力特性试验研究

过冷沸腾在高热流冷却场合得到了广泛的应用,如聚变堆偏滤器冷却、压水堆堆芯冷却。其中,过冷沸腾流动阻力是换热系统设计的关键内容之一。试验研究了高热流条件下竖直通道内水的过冷沸腾流动阻力特性,试验段为内径6 mm、长径比44.4的不锈钢圆管。试验参数范围：热通量7.5~12.5 MW/m²,质量流速6000~10000 kg/(m²?s）,系统压力3~5 MPa,进口流体温度80~200℃。分析了质量流速、热通量、压力、沸腾数、Jacob数等参数对阻力的影响。结果显示,过冷沸腾流动阻力随着热流及质量流速的增加而增加,随压力增加而减小。将试验数据与文献中的经验关联式作对比,结果表明各关联式的预测误差较大,主要归结于拟合参数及工作流体的差异。研究发现管径尺寸效应也是影响阻力的一个因素,为此在前期成果的基础上,提出了一个添加管径因素修正项的经验关联式,该关联式的预测误差在±18%范围内。     

竖直圆管内液氮过冷流动沸腾数值模拟研究

在现有数学模型的基础上,从沸腾换热的机理入手,对过冷流动沸腾模型中的气泡参量模型进行了修正,分析确定了壁面热流密度的拆分方法,构建出适应于液氮的过冷沸腾计算模型。将新模型应用于CFX4.4中,对液氮在三维竖直圆管内的过冷流动沸腾进行了数值模拟。研究发现,在过冷流动沸腾形成之后,蒸发热流成为壁面换热的主要部分,沸腾换热占据换热的主导地位。数值模拟结果与已有的实验数据吻合较好,证明了新建模型的正确性。     

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。     

附加惯性力作用下竖直矩形流道内过冷流动沸腾的数值模拟

摇摆条件下附加惯性力的作用会对两相流动的压降及汽泡受力产生影响。考虑相变能量和质量输运,采用流体体积(VOF)多相流模型对附加惯性力条件下竖直矩形流道内过冷流动沸腾进行了数值模拟。汽液界面位置通过分段线性插值(PLIC)的方法获得。模拟结果获得了孤立汽泡周围压力、速度、温度分布以及二次流动现象,分析了汽泡聚合过程汽泡形态及内部速度矢量的演变过程,模拟结果与文献中结论吻合良好。附加惯性力作用使得流动压降比静止条件下要大,过冷流动沸腾压降由于汽相产生会在单相流动的基础上产生波动,且热通量越大,压降波动幅度越大。摇摆产生的附加惯性力相对汽泡所受的其他力而言可以忽略不计,而摇摆导致的流量波动会改变汽泡受力大小,进而影响沸腾换热。