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。     

加热上升管内过冷流动沸腾数值模拟

采用计算流体动力学（CFD）程序CFX4.4对加热上升管内过冷流动沸腾工况下气水两相流动局部两相流参数（空泡份额和汽泡尺寸）进行了数值模拟。对数值差分方法、相关模型（界面力和气泡诱导的紊流）和汽泡尺寸进行了敏感性分析。空泡份额分布计算结果与实验结果比较表明,在低空泡份额工况下,两者符合较好,在高空泡份额工况下两者存在一定偏差,并且气相速度和汽泡尺寸的计算结果不理想。计算结果与实验结果之间的差异说明程序模型对于加热上升管内过冷流动沸腾模拟并不完善,建立更为合理的汽泡尺寸模型,考虑汽泡的合并和撕裂是必要的。     

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MUSIG模型的低温流体过冷沸腾数值模拟

在低温泡状流中,鉴于液相中离散的气泡尺寸大小不一,文中将MUSIG模型应用于低温流体过冷沸腾计算中。通过模拟液氮在竖直圆管内过冷流动沸腾过程,对各尺寸组气泡的分布、轴向空泡份额的分布规律及流动不稳定性进行了分析。计算结果表明:各尺寸组气泡在壁面和中心区呈现不同的分布规律;平均空泡份额沿轴向呈非线性递增变化;由于流型的转变,管内压降将出现突变。     

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。     

自润湿液体过冷核态沸腾射液流现象分析

对比去离子水和应用具有自润湿特性的正丁醇水溶液,进行Marangoni效应对微加热面汽泡行为影响的研究。通过高速摄像技术观测到了去离子水中的泡顶射液流和正丁醇溶液中的多射液流现象。相应的数值模拟表明,Marangoni效应引起过冷去离子水从过热表面向泡顶流动,而引起正丁醇溶液向相反方向流动,即过冷溶液流向过热表面。多射液流现象持续时间比去离子水的长,还可引起泡底微液层的瞬时紊乱现象。多射液流现象发生时,汽泡附近的温度梯度较大,而速度梯度则接近垂直于加热表面。正丁醇溶液的模拟结果与实验观测一致,表明表面张力及所引起的Marangoni效应对分析不同流体的过冷核态沸腾机理至关重要。     

自润湿液体过冷核态沸腾射液流现象分析

对比去离子水和应用具有自润湿特性的正丁醇水溶液,进行Marangoni效应对微加热面汽泡行为影响的研究。通过高速摄像技术观测到了去离子水中的泡顶射液流和正丁醇溶液中的多射液流现象。相应的数值模拟表明,Marangoni效应引起过冷去离子水从过热表面向泡顶流动,而引起正丁醇溶液向相反方向流动,即过冷溶液流向过热表面。多射液流现象持续时间比去离子水的长,还可引起泡底微液层的瞬时紊乱现象。多射液流现象发生时,汽泡附近的温度梯度较大,而速度梯度则接近垂直于加热表面。正丁醇溶液的模拟结果与实验观测一致,表明表面张力及所引起的Marangoni效应对分析不同流体的过冷核态沸腾机理至关重要。     

流动沸腾不稳定性对加热膜上微汽泡的影响

在流动沸腾的微通道内,以脉冲加热驱动微铂膜产生的汽泡为研究对象,通过实验的方法对处于流动沸腾微通道内的铂膜表面上的汽泡行为进行了研究。发现了三种代表性汽泡形态：类球形汽泡,锥形汽泡,液膜汽泡;分析了微通道内不同加热功率下流动沸腾的不稳定性与这些汽泡的形态和相互转化的关系。结果表明,微通道内不稳定性流动沸腾的振动流态,是铂膜上形成各种泡并以不同方式脱离铂膜的原因;背面加热膜的功率大小也是影响铂膜长泡以及汽泡大小的主要因素之一。研究结果为进一步开发设计新型的微流体功能器件提供了基础和依据。     

竖直加热壁面上汽泡脱离及浮升点汽泡直径预测模型

针对汽泡在脱离点和浮升点的力平衡特点,根据受力分析结果对汽泡的动量平衡方程进行了简化。提出了汽泡在竖直加热壁面上脱离和浮升的判据。采用Thorncroft的实验数据进行检验,结果发现,汽泡的脱离及浮升直径预测值与实验值误差在±20%以内。模型分析结果表明,向上流动的汽泡脱离直径随平均流速的增加而减小,随壁面过热度的增加而增加;向下流动情况大致相同;但由于流动曳力对汽泡脱离的作用和浮力的作用相反,从而导致了在02～03 m·s-1流速范围内出现汽泡不脱离的现象。在向上流动条件下,由于汽泡脱离核化点后的滑动方向和主流方向一致,从而使得汽泡与流体间的相对速度减小,使浮升直径大大增加;向下流动时,汽泡浮升直径随平均流速和壁面过热的关系与脱离直径的变化趋势基本一致,但与壁面过热的关系没有脱离直径的明显。     

低压沸腾管内汽泡尺寸的测量与研究

沸腾工况汽液两相流汽泡尺寸的研究对于深入理解两相流动特性以及相关模型的发展具有重要意义。文中采用双探头光学探针对受热上升管内汽液两相流汽泡尺寸的径向分布特性进行了测量与研究。此外,通过对汽泡尺寸概率密度数的分析,得出了对应工况的两相流流型,根据理论分析及实验结果,总结了汽泡尺寸径向分布与流型的关系。     

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.     

Population balance modelling for bubbly flows with heat and mass transfer

Population balance equations combined with a three-dimensional two-fluid model are employed to predict bubbly flows with the presence of heat and mass transfer processes. Subcooled boiling flow belongs to this specific category of bubbly flows is considered. The MUSIG (MUltiple-SIze-Group) model implemented in CFX4.4 is further developed to account for the wall nucleation and condensation in the subcooled boiling regime. Comparison of model predictions against local measurements near the test channel exit is made for the radial distribution of the bubble Sauter diameter, void fraction, interfacial area concentration and gas and liquid velocities covering a range of different mass and heat fluxes and inlet subcooling temperatures. Additional comparison was also performed against existing boiling model in CFX4.4 and the modified model developed in our previous work (Int. J. Heat Mass Transfer 45 (2002) 1197). Good agreement is better achieved with the local radial bubble Sauter diameter, void fraction, interfacial area concentration and liquid velocity profiles against measurements using the newly formulated MUSIG boiling model over the simpler boiling models. However, significant weakness of the model is still evidenced in the prediction of the vapour velocity. Work is in progress to circumvent the deficiency of the model by the consideration of additional momentum equations or an algebraic slip model to account for bubble separation.     

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。     

垂直圆管内液氮流动沸腾的理论模型及数值模拟

分析了液氮流动沸腾过程中气液两相间动量、能量以及质量的传输规律,建立了相应的理论模型,新模型重点修正了界面面积浓度和气泡挣脱直径的计算式;采用新建立的理论模型作为封闭方程对CFX-4.3中内建的双流体模型进行了修正,并采用修正后的双流体模型模拟了液氮在垂直圆管内的流动沸腾过程.数值模拟的结果与文献中的实验数据吻合较好,证明了本文所建模型的合理性.通过数值模拟发现,两相流参数分布的不均匀性对液氮流动沸腾过程中的热质传输特性有重要影响.     

双组分制冷工质R11-R113气泡动力学特性的可视化研究

A digital photographic study of pool boiling with binary mixture Rll（CC13）-Rll3（CCl3CF3） was performed on a horizontal transparent heater at pressure of 0.1MPa. A high speed digital camera was applied to record the bubble behaviors in boiling process. Strong effects of composition on bubble departure diameter, deparatre time, nucleation density were observed, which was attributed to the nature of the activation of the boiling surface and mass diffusion effects. The bubble departure diameter, departure period and nucleation density as functions of composition for binary mixtures R 11-R 113 were presented respectively. From the video images, it can be concluded that evaporation of microlayer is very important to the growth of bubble. It is also observed that there is not any liquid recruited into the microlayer below the bubble.     

常/微重力下微结构表面强化沸腾换热研究进展

表面改性是提高沸腾换热性能的重要手段。本文以自主开发的微结构表面为基础，简述了近三年来常重力条件下的微/纳结构表面强化池沸腾换热、临界热流密度预测模型及经验关联、微重力条件下（重力水平为10^-2～10^-3 g ₀，g ₀=9.8m/s²）加热面尺寸对沸腾换热的影响和气泡动力学等方面的研究进展。对柱状微结构参数和排布方式进行优化后的多尺度复合微结构表面相比柱状微结构表面和光滑表面，其壁面温度可分别降低8K和30K以上，而临界热流密度（CHF）则分别提高了28%和119%以上。体积分数为0.02%的乙醇/银纳米流体相对于单纯的乙醇工质，相同条件下换热壁面温度可降低8～15K，而机械作用对CHF约有25%的提高。通过对柱状微结构的几何参数以及临界发生时的供液机理研究，建立了考虑柱状微结构参数的CHF关联式、微/纳结构表面考虑液体毛细芯吸作用的CHF预测模型以及考虑液体铺展速度的CHF预测关联式。根据微重力下加热面尺寸对沸腾的影响的研究，提出了基于恒定热流密度的换热预测关联式。考虑微重力条件下主气泡和小气泡的表面张力，对传统的气泡脱离直径预测的力平衡模型进行了改进，进一步提高了微重力下气泡的脱离半径的预测精度。此外，对近年来以FC-72为工质的其他强化池沸腾换热微结构表面的研究成果进行了总结，并与自主研发的微结构表面换热性能进行了对比与分析，为今后的研究方向和应用指出了方向。     

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。     

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。