微重力条件下FC-72在针肋表面冷凝传热的实验研究

对微重力条件下矩形窄通道内FC-72蒸气在4种不同参数的椭圆形针肋表面和平板表面上的冷凝传热进行了可视化实验研究,分析了微重力对冷凝表面冷凝液分布、气-液界面、入口蒸气温度、冷凝基底温度、热通量以及冷凝传热系数的影响。结果表明,微重力条件下,矩形窄通道内气-液界面出现不稳定,并有波动和沿侧壁爬升现象。落舱释放前后,冷凝表面液膜形态并未观察到明显变化;对于非稳态状态,冷凝基底温度出现小幅升高,并有一定的滞后,落舱释放后蒸气发生器盘管内流型的转变提高了加热效率,从而导致入口蒸气温度急剧升高;对于脉动状态,基底温度变化情况与非稳态状态相似,但入口蒸气温度并无明显变化;而对于准稳态状态,基底个别测温点温度发生阶跃,入口蒸气温度并无明显变化,热通量和冷凝传热系数发生急剧下降,降幅分别达18%和20%。     

微小菱形离散肋通道中R134a的冷凝换热实验研究

建立了采用空气射流冲击冷却方法的冷凝换热实验系统,对R134a在铝质微小菱形离散肋通道中的冷凝换热特性进行了实验研究。实验工况范围为制冷剂干度0~1、饱和压力0.50~1.50 MPa、制冷剂质量流率160~380 kg/(m²·s)、热通量10.1~59.8 kW/m²。实验获得了不同工况下的通道局部冷凝传热系数,分析了干度、饱和压力、质量流率以及热通量对冷凝换热的影响规律。实验结果表明：局部冷凝传热系数随干度、质量流率和局部热通量的减小而减小,随饱和压力的降低而增大,其中在干度x>0.4的区域内质量流率对于冷凝传热系数的影响效果更为明显。基于实验数据,提出了一个适用于本实验中微小菱形离散肋通道的冷凝换热计算公式。     

聚四氟乙烯薄膜表面滴状冷凝传热实验研究

为了探索实现滴状冷凝传热的新表面涂层 ,采用离子束动态混合注入技术制备了紫铜基聚四氟乙烯(PTFE)薄膜 ,显著地提高了水蒸气冷凝传热性能。实验表明 ,该表面涂层能够实现常压水蒸气稳定的滴状冷凝形态 ,在表面过冷度 9.8— 1 4 .2K范围内 ,滴状冷凝传热通量和传热系数比膜状冷凝结果提高 30—47倍。同时发现 ,在大气压附近 ,热通量和冷凝传热系数都随着水蒸气蒸汽温度的增加而增加 ,但表面过冷度随蒸气温度增加呈弱增加趋势     

水平管内冷凝流动的稳定性

管内冷凝换热流动在紧凑型两相热控系统中比较常见,本文关注于冷凝两相流中的不稳定性。首先对工质在冷凝器中的热力学过程进行建模,然后利用Lyapunov稳定性理论讨论了冷凝流动过程中流动压降发生振荡的机理。发现失稳区间的质量流量开始点对应的出口工质干度为1,而失稳区间的结束点对应的工质出口干度通常在0.8左右。在大入口过热度、小管径以及低热通量下,冷凝器的压降-流量曲线会出现负斜率,工作流体若进入负斜率区域,会导致压力振荡,使得系统的运行变得不稳定。     

分相式多孔壁微通道流动冷凝传热强化与减阻

微通道换热器应用广泛,强化传热和减阻是新型换热器设计的重要目标。为了同时实现这两相目标,本文提出了一种分相式多孔壁微通道冷凝器,利用微针肋阵列组成的多孔壁在冷凝传热过程中实现了汽液两相分离。采用实验研究方法对比了分相式多孔壁微通道与普通实心壁微通道的流动和传热特性,结果证明分相式微通道在冷凝传热中同时具备强化传热和减阻的作用。深入研究了通道内两相流动摩擦耗散原理并提出了相分离减阻理论,指出汽液两相流内部摩擦耗散的减小是分相流减阻的关键。另一方面,分相过程使针肋换热面侧壁直接与高温蒸汽接触,极大消减了蒸汽与换热壁面之间的传热液膜厚度。沿流动方向不断扩展的液通道截面与不断减缩的汽通道截面积适应了流动冷凝过程延工质流动方向"水渐多,汽渐少"的规律,保证沿程传热效果不会恶化。     

梯形微通道内乙醇水混合蒸气冷凝流型可视化实验

利用高速摄像系统对梯形硅基微通道进行乙醇水混合蒸气冷凝流型可视化实验。梯形微通道结构为梯形,水力学直径165.87 mm,通道长度50 mm。实验中混合蒸气乙醇质量分数范围为2%～60%。实验发现入口蒸气乙醇浓度对通道内流型有重要影响。沿着冷凝方向,发现环状流、环状条纹流、翻滚流、喷射流/喷射滴状流及气泡流。不同蒸气入口乙醇质量分数有不同的流型分布,低乙醇浓度的蒸气冷凝环状条纹流及喷射流区域出现伪滴状凝结形式,高乙醇浓度的蒸气冷凝出现翻滚流流型。实验以蒸气质量通量及蒸气干度为坐标对不同入口浓度蒸气冷凝建立了两相流型图,并对喷射流发生干度建立了流型转变预测式。     

微尺度通道内R134a的冷凝传热实验研究

建立采用射流冲击进行制冷剂冷却的冷凝传热实验系统,对当量直径为0.63 mm矩形微尺度通道内制冷剂R134a的冷凝传热特性进行研究。实验参数范围是制冷剂干度0~1,质量流率115~290 kg/(m²·s）,饱和压力0.35~0.5 MPa,实验获得了不同工况下微尺度通道的局部冷凝传热系数,并分析了制冷剂各参数对冷凝传热的影响。实验结果表明：冷凝过程中沿制冷剂流动方向,局部冷凝传热系数会随着干度减小而减小;在一定饱和压力下,局部冷凝传热系数与局部热通量相对应;冷凝传热系数随着饱和压力减小而增大。基于实验数据,整理出适用于本实验工况下微尺度通道内R134a的冷凝传热计算公式。     

表面浸润程度对脉动热管传热性能的影响

为了深入理解表面浸润性对脉动热管传热性能的影响,利用碱性辅助表面氧化技术,通过控制氢氧化钠和过硫酸铵溶液与铜表面反应浓度的变化,制备了具有不同浸润程度表面的脉动热管,其表面接触角分别为0°、33.9°、55.7°、84.3°。通过实验研究了表面浸润程度对脉动热管传热性能的影响。结果显示,随着脉动热管内部浸润性的增强,其脉动频率及幅度增加,脉动热管热阻及温差降低,传热性能得到强化。     

超疏水/亲水性结构表面流动沸腾传热实验研究

用激光烧蚀方法在抛光后的铜上制备出四种无需涂覆修饰即可获得超疏水/亲水性的规则微阵列结构表面。基于流动可视化与温度数据结果,分析了表面浸润性和过冷度对流动沸腾传热性能的影响,与经典汽化核心密度关联式进行了对比。结果表明：疏水表面可削弱单相对流传热,大幅强化沸腾传热,最大传热系数提高了75.5%,沸腾起始点提前3.5 K,且汽化核心数目较裸铜表面提高了5倍以上,但有较低的临界热通量。超亲水表面可增强单相对流传热、小幅度提升流动沸腾传热。对比亲水表面与疏水表面的气泡生长过程,发现疏水表面尾端气泡容易汇聚,生长周期较长;而亲水表面没有发生明显的气泡汇聚行为,气泡生长周期较短。     

板式换热器相变对流传热关联式的研究进展

板式换热器作为一种高效换热器正在得到越来越多的应用,但是其相变对流传热的机理和影响因素却非常复杂,因此精准设计板式相变换热器一直是一个难题。本文总结了板式换热器凝结换热、沸腾换热这两种主要相变对流传热过程的特点,概述了近年来国内外在板式换热器相变换热理论分析、数值模拟、实验测试等方面的最新研究进展,列出了部分已发表的实验关联式及其应用条件,重点论述了这些实验关联式中状态参数对板式换热器相变传热系数和流道压降的影响,对比分析了部分实验关联式的计算结果,对某些不同结论也作了评述。此外,本文还介绍了计算机模拟仿真技术在该领域研究中的应用情况。最后,指出了当前板式换热器相变传热研究中存在的主要问题和未来需要努力的重点发展方向。     

三面加热窄矩形通道内饱和沸腾起始点的实验研究

以去离子水为实验介质,对截面为3 mm×43 mm的三面加热窄矩形通道内饱和沸腾（FDB）起始点进行了实验研究。分析了部分热工参数对饱和沸腾起始点的影响,对三面加热窄矩形通道内饱和沸腾起始点的数据进行非线性回归分析,得到适用于三面加热窄矩形通道饱和沸腾起始点热通量的经验关系式。结果表明：新拟合得到的关系式能较准确地预测三面加热窄矩形通道内饱和沸腾起始点的热通量,其预测值的相对误差为15.17%。将新关系式计算结果与现有实验数据进行比较,源于单面加热窄矩形通道的实验数据与新关系式符合程度较好,表明新关系式可适用于单面加热窄矩形通道。     

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％。     

基于流量振荡的窄矩形通道内临界热通量机理模型

设备最大运行功率受临界热通量(CHF)限制,而流量振荡会导致沸腾危机早发,此时的临界热通量称为PM-CHF。为了研究流量振荡条件下窄矩形通道内的临界热通量,进行单侧加热窄矩形通道内竖直向上流动条件下沸腾危机可视化实验,实验工质为去离子水,质量流速范围为350~2000 kg/(m²·s),窄缝宽度范围为1~5 mm,系统压力范围为1~4 MPa。结果显示,在窄矩形通道中CHF随质量流速的增加而线性增加。当流速较小时会发生流量振荡,振荡周期约为0.1 s。流量振荡继而导致沸腾危机早发,其流型表现为弹状流-搅混流。此外,针对本实验观察到的流量振荡和窄矩形通道内气泡动力学特性,从流量振荡的角度进行理论分析与推导,建立窄矩形通道内由于流动失稳引起的PM-CHF机理模型,预测误差在30%以内。     

基于流量振荡的窄矩形通道内临界热通量机理模型

设备最大运行功率受临界热通量(CHF)限制,而流量振荡会导致沸腾危机早发,此时的临界热通量称为PM-CHF。为了研究流量振荡条件下窄矩形通道内的临界热通量,进行单侧加热窄矩形通道内竖直向上流动条件下沸腾危机可视化实验,实验工质为去离子水,质量流速范围为350~2000 kg/(m²·s),窄缝宽度范围为1~5 mm,系统压力范围为1~4 MPa。结果显示,在窄矩形通道中CHF随质量流速的增加而线性增加。当流速较小时会发生流量振荡,振荡周期约为0.1 s。流量振荡继而导致沸腾危机早发,其流型表现为弹状流-搅混流。此外,针对本实验观察到的流量振荡和窄矩形通道内气泡动力学特性,从流量振荡的角度进行理论分析与推导,建立窄矩形通道内由于流动失稳引起的PM-CHF机理模型,预测误差在30%以内。     

自然循环窄矩形通道内过冷沸腾两相摩擦阻力特性

采用去离子水作为实验工质,在低压低流速自然循环工况下开展了单面加热可视化窄矩形通道内的过冷沸腾摩擦阻力特性实验研究。实验中测量了实验段内的压降数据,并通过高速摄影仪拍摄了窄矩形通道内的气液两相图像,提出了过冷沸腾条件下的两相摩擦压降的剥离计算方法。基于本实验中获得摩擦压降数据,对分别基于均相流模型和分液相模型的经典两相摩擦压降计算关系式进行了评估,实验结果表明:采用不同等效黏度计算方法的均相流模型计算结果比实验值明显偏小;而分相流模型中,Sun and Mishiba关系式和Tran关系式均能够较好地预测摩擦阻力,计算值与实验值的平均相对偏差在±15%以内。结合实验数据,以分相流模型方法为基础,考虑全液相Reynolds数、Martinelli参数和Laplace数的影响,获得了计算分液相折算系数的经验关系式,与实验数据符合较好,平均相对误差在10%范围内。     

Experimental investigation of cocurrent two-phase flow in a vertical rectangular channel

New time averaged data of two-phase flow in bubbly and slug regimes are presented. A modified dual spherical tipped optical fiber probe is used to measure local void fractions, gas velocity and bubble sizes. Hot film anemometry was used to measure the local mean liquid velocity axially. The void fraction, gas and liquid velocities values were presented as averages over the long and short dimensions respectively. Also core values of these variables are presented along the smaller dimension of 12.7 mm, near the plane of symmetry of the longer dimension, to show the most general trend of the different bubbly and slug flow runs. Bubble sizes obtained experimentally were compared with predictive models applied to circular geometries and were found to have a reasonable agreement. It was also interesting to find that local void fractions measured using hot film anemometers were comparable to those found by optical fiber probes. Frequencies of interfacial passage of bubbles and slugs are presented which show rather flat profiles across the channel. It is hoped that these data can be further used in predictive two-phase two-fluid models in the future. Lastly of interest is the fact that slip values near the boundaries were shown to be less than 1.0 for some cases in bubbly flow similar to those observed in circular geometries.     

宽矩形硅微通道中流动冷凝的流型

对水力直径90.6 μm、宽深比9.668的矩形硅微通道中的流动冷凝过程进行了可视化研究。研究发现,宽矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠状-环状复合流、喷射流和弹状-泡状流等流型。在珠状-环状复合流区,冷凝液膜可覆盖通道竖直侧壁,而在通道长边上,仍然为珠状凝结。喷射流位置随着入口蒸气Reynolds数的增大而延后,通道截面形状对流动冷凝不稳定性也存在很大影响。喷射流之后为弹状-泡状流,弹状气泡沿程逐渐缩短,并在表面张力的作用下收缩成圆球形气泡。冷凝通道的平均传热系数将随着入口蒸气Reynolds数的增大而增大。     

倾斜对窄矩形通道内流动阻力特性影响

在绝热强迫循环条件下,进行了窄矩形通道内的流动阻力特性实验研究,结果表明：在层流区,矩形通道内的摩擦阻力系数与Shah & London关系式吻合很好。在加热自然循环条件下,为探究倾斜与摩擦阻力特性的关系,进行了压力0.2 MPa,欠热度40～60 K,倾斜角度-30°～30°的单相流动阻力特性实验研究。结果表明：在倾斜条件下,基于Navier-Stocks方程的摩擦阻力预测值不再适用于单面加热窄矩形通道;在层流区,正倾会使单面加热窄矩形通道内的流动阻力增大,且阻力系数随倾斜角度增加而显著增大;反倾时,阻力系数随倾斜角度改变无明显变化;密度差驱动产生的二次流动使得低Reynolds数下的摩擦阻力系数变大。