流动沸腾核态抑制的实验研究

通过对水在垂直矩形通道内的流动沸腾实验,研究了流动沸腾核态抑制的规律,确定了不同流动沸腾区域的分布。沸腾抑制点参数,可以用空穴最大和最小半径的比值表示(rmax/rmin)sup,描述不同的流动沸腾状态。当最大空穴半径趋近于最小空穴半径时,活化核心密度减小,核态沸腾受到抑制。最大空穴半径的变化是决定流动沸腾抑制点参数的主因。流动沸腾的3个状态分布如下:(rmax/rmin)sup<40,对流沸腾状态;40≤(rmax/rmin)sup≤120,不确定状态;(rmax/rmin)sup>120,核态沸腾状态。     

垂直窄矩形通道内流动沸腾传热研究

在热虹吸条件下，实验研究了缝宽接近于气泡脱离直径型的窄矩形通道内流动沸腾的传热特性。发现其对流蒸发传热中有时处于过渡流状态。首次为对流蒸发传热系数建立了一个通用算式。还将该算式与加和模型相结合，为窄矩形通道形成了第一个完整的流动沸腾传热算法。该算法的预测值与实验数据相比，其平均绝对偏差为１４．９％。     

垂直多孔表面管内高沸点工质强化流动沸腾换热的数值分析

在对流动特性和换热机理进行分析的基础上,建立了垂直多孔表面管内高沸点工质强化流动沸腾换热的数学模型和数值计算方法.该模型认为环状流区域同时存在强制对流与核态沸腾两种换热方式.液膜厚度、速度与温度等参数通过求解液膜的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程获得.核态沸腾换热则包括气泡脱离带走的热量及用于加热气化核心影响区流入液体的热量两部分.提出了流动沸腾情况下的多孔层气泡脱离直径及气化核心密度计算方法.对异丙苯在火焰喷涂型垂直多孔表面管内向上流动时的沸腾换热进行了数值预测,大部分工况的计算值与实验结果符合良好.在低干度区(x=0.1),核态沸腾在总换热中的比例约为50%.随着干度的增加,核态沸腾受到越来越大的抑制,当x为0.5时,这一比例降低到约15％.     

单晶硅表面池沸腾可视化测量及数据分析

针对核态沸腾过程,利用高速摄像机和红外热成像设备对光滑、微坑、均匀微柱和槽型微柱四种不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测,获得了各表面气泡动力学演变过程及局部温度演变规律,揭露了基于动力学过程的沸腾强化机理。由沸腾曲线可知,光滑硅表面,沸腾起始过热度为6℃,而三种微结构表面,起沸过热度为3～4℃;同时,微坑、槽型微柱和均匀微柱表面核态沸腾的CHF较光滑表面分别提高了109%、129%和140%。动力学演变过程则证明了微坑的存在为核化沸腾提供了核化点,有效降低了核化能垒、缩短了壁面蓄能阶段的时长。微柱的存在大幅度增加了气泡核化密度,减小了脱离直径,缩短了脱离时间,促进了沸腾表面温度的均匀化。     

高温辐射环境中液滴的沸腾效应

建立了液滴在高温对流和辐射环境中的受热和蒸发模型,结合液滴均质沸腾模型,编制了计算程序。以正十二烷液滴为例,考虑液滴的膨胀效应以及液滴与周围气流的热物性变化,数值模拟了高温辐射与对流加热下的液滴升温和蒸发过程。分析了不同对流和高温辐射条件下,液滴内部是否能够发生沸腾。研究表明,液滴在高温辐射和对流加热下,蒸发伴随热膨胀;高温热辐射加热可导致液滴内部温度高于表面温度,升温到一定程度后可达到液滴内部沸腾状态;影响液滴沸腾的因素有液滴半径、辐射温度、环境气流温度等;同时,随着液滴蒸发,高温环境中液滴的沸腾过热度逐渐增大。     

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。     

气泡微细化沸腾过程中气泡冷凝破裂现象

为了研究气泡微细化沸腾(MEB)时的气泡动力学行为,利用高速摄像仪(Fastcam SA5)观察15~60 K过冷度范围内,直径10 mm加热面上的沸腾过程。通过引入等效半径,分析核态沸腾、膜态沸腾和MEB区域的气泡行为特征。结果表明:MEB发生时的气泡行为,既不同于核态沸腾,也与膜态沸腾明显不同。在MEB区域,加热面上通常会形成一个大的、不规则气泡,但并不会脱离加热面,而是迅速破碎凝结;而且气泡生命周期相对较小,体积变化速率更快。量纲1分析发现,在MEB区域,随着壁面过热度和热通量的升高,气泡凝缩破裂过程受惯性控制影响程度逐渐增加。     

气泡微细化沸腾过程中气泡冷凝破裂现象

为了研究气泡微细化沸腾（MEB）时的气泡动力学行为,利用高速摄像仪（Fastcam SA5）观察15～60 K过冷度范围内,直径10 mm加热面上的沸腾过程。通过引入等效半径,分析核态沸腾、膜态沸腾和MEB区域的气泡行为特征。结果表明：MEB发生时的气泡行为,既不同于核态沸腾,也与膜态沸腾明显不同。在MEB区域,加热面上通常会形成一个大的、不规则气泡,但并不会脱离加热面,而是迅速破碎凝结;而且气泡生命周期相对较小,体积变化速率更快。量纲1分析发现,在MEB区域,随着壁面过热度和热通量的升高,气泡凝缩破裂过程受惯性控制影响程度逐渐增加。     

气固流化床中声发生机理及在工业装置中的应用

利用声测量技术,结合频谱分析,建立了颗粒碰撞的声波频率模型,可定量描述声波主频随颗粒粒径、弹性模量和密度的变化规律.通过改变流化颗粒的粒径、弹性模量参数和密度,发现声波主频与频率模型计算值之间的最大偏差为8.3%,说明声波主频可以代表颗粒在壁面的碰撞频率.讨论了热态和冷态条件下声波主频之间变化规律,通过对弹性模量参数的校正,声测量技术可以用于预测工业装置中物料的平均粒径变化,并将该模型应用于线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和双峰聚乙烯工业生产装置中的平均粒径测量,发现与传统的取样筛分方法所得测量结果十分接近.同时,发现当系统产生聚合物颗粒结块时,声波主频将急剧降低,声波频谱的能量分布将明显集中增大,这可作为判断流化床稳定运行的一个判据.     

通气环套内垂直圆柱表面核沸腾传热研究

研究了带有同心套管的垂直圆柱形加热表面在环隙中通入空气时的核沸腾传热性能。结果表明，通入空气使沸腾传热系数有所提高，并且加热表面温度有所降低。通入空气也会增强自然对流传热，而且这种增强幅度比沸腾时更大。在实验条件下，通气可使沸腾传热系数提高39．63％-80．50％，壁面温度可降低1．39-2．58℃，自然对流时通气可提高传热系数380．09％-482．52％。为此对上述实验结果用扰动增强和“界面汽化热阱”效应增强的机理来进行了分析。实验还在恒定热流率下考察了气速对沸腾传热系数的影响。结果表明，沸腾传热系数随气速提高先增加后降低。用Mashima和Ishii的两相流模型进行了计算，结果说明了这种气速影响的原因是由于由泡状流向弹状流流型的转变。     

Experimental investigation of transition process from nucleate boiling to microbubble emission boiling under transient heating modes

This study investigated the transition from nucleate boiling to microbubble emission boiling (MEB) on a small heating surface under transient heating modes. During the short unstable boiling process after critical heat flux with a rapid increase in wall temperature, capillary waves were observed over the vapor film at subcooling of 30–40 K. The visualization results in this process demonstrated that the partial collapse of vapor film induced strong jet toward the heating surface and therefore avoided complete dryout thereon. This mechanism certainly plays an important role in the transition to stable MEB. Further comparison between the wall temperature and boiling states indicates that the wall temperature at onset point of stable MEB is determined by the predominance of MEB mode over film boiling in the transition process. Effects of liquid subcooling and surface oxidation on the transition process were also investigated at the same time.     

水平微细管内CO2流动沸腾换热特性

对CO₂在水平微细管内流动沸腾换热进行了实验研究。实验工况：饱和温度-40～0℃,热通量5～35 kW·m^-2,质量流率200～1500 kg·m^-2·s^-1,管径1.5 mm。实验结果表明：热通量增加对于强化核态沸腾换热具有显著影响,同时加快干涸发展进程,降低干涸起始干度;质量流率对于传热系数的影响较小,随着质量流率的增加干涸起始干度降低,干涸后的传热系数有所增加;饱和温度对CO₂物性的影响是造成其不同工况时换热特性差异的主要原因,饱和温度升高干涸起始干度具有降低的趋势,且干涸后传热系数下降更为剧烈。通过与理论预测模型的对比研究：Cheng模型对干涸前具有较高的预测精度,在30%误差带内预测精度达到77.1%,绝对平均偏差为20.5%,干涸后对应预测精度比与绝对平均偏差仅为22.9%与57.8%。     

Boiling Heat Transfer in an Acoustic Cavitation Field

An experimental study has been carried out to investigate systematically the effects of acoustic cavi-tation parameters and fluid subcooling on boiling of acetone around a horizontal circular tube. The experimental results show that acoustic cavitation enhanced remarkably the boiling heat transfer and decreased the incipient boiling superheat and that cavitation bubbles effect on boiling heat transfer reduced with cavitation distance. For boiling curves in a form of h-q", elevated cavitation distance shift nucleate boiling curves to the right of the corresponding ordinary pool boiling curve. The associated mechanism of heat transfer enhancement is analyzed with the consideration of cavitation bubble influence on vapor embryo.     

水平管内R1234yf的流动沸腾换热特性

通过实验研究了环境友好型制冷剂R1234yf在内径为0.5mm的水平圆形微通道内的流动沸腾换热特性,测量了不同工况下R1234yf的沸腾换热系数（HTC）,并与传统制冷剂R134a进行了对比,分析了质量流速、热流密度和干度对换热系数变化规律的影响。实验条件为：饱和温度(17±1)℃,质量流速1000~2500kg/(m²·s),热流密度25~143kW/m²。实验结果表明：R1234yf的换热系数随着热流密度的增大而显著增大,而质量流速和干度的影响较小,核态沸腾为其主导换热机制。对比R1234yf和R134a在相同工况下的换热特性,发现两种工质的平均换热系数差别较小,并均随着热流密度增大而逐渐增加,但是R1234yf发生干涸（Dryout）时的热流密度小于R134a。将实验数据与已有文献中的核沸腾主导的经验关联式的预测结果进行了对比,得到了较好的吻合。     

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%。     

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。     

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%。