直接接触式沸腾换热过程气泡混合均匀度评价

针对直接接触式沸腾换热过程中气泡群扰动的多相流体混合性能评价问题,提出一种基于图像处理技术与像素偏差理论量化混合复杂流体流型均匀性的精确检测与度量新方法。通过气泡群RGB图像的灰度矩阵进行偏差计算,精确地定量描绘了直接接触式换热过程中的气-液混合状态,其值大小反映了气泡群的分布状况,而不同工况下混合均匀时间的差异反映了不同多相体系的均匀性差异;对偏差序列进行正态性检验,发现其近似符合正态分布;运用混沌检测方法对序列进行混沌特征分析,发现整个混合过程是混沌的。通过一个简单的指标实现了复杂条件下气泡群的量化和表征,为多相流流型识别提供了新的分析思路并指导换热过程的混沌强化。     

添加剂及其对直接接触式相变换热的影响

通过试验对在直接接触式气体水合物系统中非常有效的添加剂在直接接触式冰蓄冷系统中进行了研究 ,发现锌粉对直接接触式相变换热效果最好 ,而丁醇几乎没有效果     

双组分混合制冷工质沸腾换热理论研究

基于单组分工质池沸腾动态微液层预测模型,提出了预测双组分混合工质沸腾换热系数的理论模型。该模型认为沸腾换热的机理主要是由于在气泡的周期生长过程中所形成微液层的蒸发。模型中考虑了气泡生长过程中液体传质对传热的影响,给出了气泡生长过程中传热面上气液固接触的动态构造。利用本模型所得预测结果与实验结果能够较好地符合。     

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。     

二元混合物沸腾换热机理探讨及计算

对二元混合物池内沸腾和流动沸腾换热机理及二元混合物换热关系式进行了探讨，并提出一个新的非共沸混合工质水平管内强制对流蒸发换热关系式。     

改性SiO2纳米颗粒沸腾沉积层的形成原理及其沸腾换热

实验研究了改性SiO₂纳米流体液滴蒸发后的沉积图案,以及改性SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层对沸腾换热的影响。液滴蒸发实验研究表明：改性官能团会影响改性SiO₂纳米颗粒是否吸附在液-气界面,从而推断出在沸腾过程中改性官能团对纳米颗粒沉积方式的影响。沸腾实验研究结果表明：用聚乙二醇基团改性的SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层使加热面的平均粗糙度从160 nm大幅增长到977 nm,且能增强纯水的沸腾传热系数;而用磺酸基团改性的SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层对加热面的平均粗糙度的改变不明显,只使其增大了60 nm,且恶化了纯水的沸腾传热系数。通过沸腾换热实验结果较好地验证了通过液滴蒸发实验推断出的沸腾过程中改性官能团对纳米颗粒沉积方式的影响。     

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。     

直接接触沸腾换热过程连续相特征提取及分布规律

利用支持向量机(SVM)理论构建了有机工质?导热油直接接触沸腾换热过程连续相特征提取方法,获得了导热油和气泡群两相流流型的拓扑结构。对9组正交实验工况获得的两相流图像分别进行连续相特征提取和同调群计算,得到量化连续相数量的1维和0维贝蒂数?1和?0用于粗略估计气泡群数量,并与传统数字图像处理方法的结果比较,对比了换热效率较好和较差情况下形态学开运算对SVM方法的影响,建立了两相流贝蒂数演化规律与换热效率的关联性,比较了传统方法获得的气泡群数量和SVM方法获得的连续相“洞”的数量的演化规律。结果表明,SVM结合贝蒂数方法不仅可准确量化导热油连续相,且可粗略地表征气泡分散相;L6工况(连续相导热油液位高度Z=0.5 m、初始换热温差?T=120℃、分散相工质流率U0=0.04 m/s、连续相导热油流率Uc=0.15 kg/s)下连续相数量变化几乎重叠,相对波动较小,而L4工况(Z=0.5 m, ?T=80℃, U0=0.06 m/s, Uc=0.3 kg/s)下连续相数量偏离程度较大;SVM方法获得的连续相和气泡群个数演化曲线同步,且混合时间相同,?1和?0中位数偏离程度的局部最小值可作为性能指标之一,通过实验验证可优选出换热效果最好的工况。     

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。     

直接接触式环流换热器传热研究

首次开发了直接接触式环流换热器 ( DCRE)。分散相液滴不断吸热气化 ,导致气升管轴向上连续相和分散相的温度变化 ,从而产生不同的传热推动力 ,形成体积传热系数分布。在实验基础上 ,重点讨论工质的进料量、连续相和分散相间的传热温差对体积传热系数的影响 ,并从单个液滴气化传热的机理出发 ,推导出体积传热系数分布的表达式及平均体积传热系数的准数关联式。     

空气-石蜡直接接触换热特性实验研究

在间壁式换热器中石蜡因为其热导率低影响了蓄热系统的换热速率,采用石蜡与空气直接接触换热可大幅提高蓄热系统的换热速率。把常温的空气通过气体分布器注入熔融状态的石蜡（100~150℃）中,具体考察了表观气速、静液位高度和传热温差等参数对石蜡-空气鼓泡换热中体积传热系数与气含率的影响。实验结果表明,随着表观气速的增大,体积传热系数与气含率随之增大,并且对于气含率,在较低的表观气速下的增长速率更快;在实验条件下,增加静液位高度都只会导致体积传热系数与气含率的降低,而改变气液温差对体积传热系数的影响不甚明显。根据实验结果获得了石蜡与空气直接接触换热的体积Nusselt数经验关联式。     

电场中汽泡行为的变化及对沸腾换热的影响

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像仪对沸腾汽泡在电场作用下的生长过程进行了可视化实验研究,实验观察到电场作用下汽泡生长的动态图像,并对电场作用下汽泡行为的改变对沸腾换热的影响进行了初步分析。研究结果表明：电场作用下汽泡沿场强方向伸长,随着场强的升高,汽泡的脱离长径比增大,脱离体积减小,脱离频率增大。汽泡变形是由于汽泡受到电应力的作用,电应力在赤道方向压缩汽泡,在极轴方向拉伸汽泡,使得汽泡沿场强方向变细变长。由于在电场作用下汽泡行为的变化使得沸腾传热系数和临界热流密度提高。     

流态化固体颗粒对载气蒸发传热的强化

Heat transfer characteristics are studied for gas carrying evaporation with fluidized solid particles in a vertical rectangular conduit. Experimental results show that heat transfer of gas carrying evaporation is enhanced and the superheat of liquid in contact with heating surface lowers remarkably by introducing solid particles. Nucleate boiling on the heating surface is suppressed to a considerable degree. The mechanism of heat transfer enhancement by fluidized solid particles is analyzed with the consideration of collisions of solid particles with the boiling vapor bubbles.     

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。     

Separation of azeotropic mixtures using air microbubbles generated by fluidic oscillation

The feasibility of separating the azeotropic mixture of ethanol‐water using microbubble‐mediated batch distillation is presented. The effects of the depth of the liquid mixture in the bubble tank and of the inlet air microbubble temperature on the process efficiency were investigated. The enrichment of ethanol in the vapor phase was higher than that achieved at equilibrium conditions for all liquid ethanol mole fractions considered, including the azeotrope. On decreasing the depth of the liquid mixture and increasing the temperature of the air microbubbles, the separation efficiency of ethanol was improved. Ethanol with purity of about 98.2 vol % was obtained using the lowest liquid level (3 mm) in conjunction with the highest air microbubble temperature (90°C). Separation was achieved with a small rise in the temperature of the liquid mixture (4°C) at a depth of 3 mm and evaporation time of 90 min making this system suitable for treating thermally sensitive mixtures. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 62: 1192–1199, 2016     

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.