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。     

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。     

三相流体积传热系数的实验研究

本文以戊烷-水为研究物系，测定了气-液-液三相直接接触换热器内温度和压强的轴向分布，并依此数据对体积传热系数模型进行了求解，结果表明在气-液-液三相段内，体积传热系数随着轴向高度的增大而增大。但随着高度的增长其增大速率逐渐变小。而在相同条件下，体积传热系数随着分散相流量的增大而增大。     

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。     

全氟烷基表面活性剂强化池沸腾换热

针对不同浓度的全氟烷基碘化物（Le-134）水溶液进行了核态池沸腾换热实验研究。首先对Le-134的界面吸附特性及在紫铜表面的润湿性进行了研究。结果表明,其静态表面张力随浓度增大而减小,动态表面张力下降速度随浓度增加而加快,在超过临界胶束浓度（critical micelle concentration,CMC）的较高浓度下（≥40mg/L）,10s以内溶液表面张力即降低到20mN/m以下。Le-134水溶液在紫铜表面接触角随浓度增加而减小,在300mg/L时接触角仅为21°,具有良好的润湿性。沸腾过程与去离子水相比,Le-134水溶液产生的汽泡数量明显增多,汽泡尺寸减小,汽泡合并现象减少。结果表明,Le-134的添加可以有效强化池沸腾换热,同热流密度下随浓度增大强化效果越显著;同浓度下,随热流密度增大强化效果有所减弱。在10W/cm²下,300mg/L的Le-134相对去离子水工况强化效果最明显,沸腾表面过热度减少49.3%,沸腾换热系数增加109.1%。     

Bubble breakup and boiling heat transfer in Y-shaped bifurcating microchannels

Three-dimensional simulations are performed to study the bubble breakup and boiling heat transfer in Y-shaped bifurcating microchannels with different heat fluxes and bifurcating angles. Results show that the breakup regime for continuously growing bubble changes from tunnel breakup to obstructed breakup as the heat flux increases. Interestingly, the pinch-off stage of bubble breakup becomes inconspicuous in small acute-angle bifurcating microchannel. The flow structure changes from smooth mode to twining mode as the bifurcating angle increases. The bubble transit leads to the shrink or disappearance of vortex. The heat transfer is tightly associated with bubble dynamics. The negative heat transfer enhancement is observed at low heat flux and it is eliminated at high heat flux. The heat transfer is enhanced with the increase in heat flux, while the effect of bifurcating angle is relatively complex. The present study provides new insights into the two-phase flow in bifurcating structures.     

多组分流动沸腾传热研究

多组分混合物流动沸腾传热系数算式中的液相传质系数，是描述传质阻力的关键参数，但是，当前既无合适的计算方法也无经验数据，只能借用物理和化学吸收传质系数的经验值。本文给出一个简化计算方法。用此法对有机水溶液系统进行预测计算，所得传热系数与实测值比较，其平均绝对偏差为１０．７２％。     

氧化石墨烯表面的饱和池沸腾强化传热实验

利用氧化石墨烯（GO）纳米片沸腾自组装法（self-assembly）制备出GO纳米表面,以蒸馏水为液体工质,对常压下GO纳米表面和光滑铜平面的饱和池沸腾换热特性进行了对比实验研究,并用高速摄像机拍摄了汽泡的动态行为。结果表明,GO纳米表面降低了换热壁面的过热度,其临界热流密度（CHF）和换热系数（HTC）分别达到了208W/cm²和7.25W/(cm²?K),较光滑铜平面分别提高了66.4%和86.9%。分析认为,是铜基底表面沉积的润湿性优异的高导热二维GO层状结构促使了CHF提高。汽泡可视化观察发现,相比于光滑铜平面,较低热流密度时,相同热流下GO纳米表面上汽泡脱离直径较小,脱离频率较高,汽化核心增多;较高热流密度时,光滑铜平面汽泡合并现象更严重,即GO纳米表面能延缓导致CHF产生的表面蒸汽膜的出现。     

梯形微槽道表面池沸腾换热性能研究

池沸腾换热表面的结构对其沸腾换热性能具有重要影响。为了进一步强化在较低表面过热度时池沸腾换热的性能,提出了新型梯形微槽道池沸腾换热表面,采用可视化实验方法研究了饱和温度下去离子水在该表面的池沸腾换热性能。结果表明：与光滑平面相比,梯形微槽道表面可以降低起始沸腾表面过热度;在相同表面过热度时,随着下底长度的增大、下底角角度的减小,梯形微槽道表面的热通量增加,换热能力增强。下底长度为1.2 mm、下底角度为45°的梯形微槽道表面具有最低的起始沸腾表面过热度（1.4 K）;在表面过热度为8.3 K时,其热通量能达到1.2×10⁶ W·m^-2,为相同表面过热度时光滑表面的24.0倍。较大的下底长度和较小的下底角角度有利于增强梯形微槽道表面的池沸腾换热性能。     

0.5 MPa下液化天然气在竖直圆管中饱和流动沸腾传热

建立了一套实验装置用于对8 mm内径圆管内的液化天然气流动沸腾传热特性进行实验研究。测试压力为0.5 MPa,液化天然气质量流量为50～200 kg·m^-2·s^-1,热通量为8.0～36.0 kW·m^-2。主要研究了热通量、质量流量和干度等影响因素对传热的影响。发现质量流量对传热有重大影响,液化天然气管内流动沸腾传热系数一般随质量流量的增加而增大。而热通量对传热的影响主要体现在低干度范围内,且在质量流量较小时更为明显。而当干度小于0.5～0.6时,传热系数一般随干度的增加而增大。但当干度大于0.6时,传热系数随干度的增加显著下降。将实验结果与4种现存的混合物流动沸腾传热关联式进行比较,结果表明Zou等提出的计算关联式与实验结果最接近,计算误差约为30.2%。