摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径模型构建及分析

在静止条件下汽泡脱离直径预测模型的基础上,引入摇摆条件引起的瞬变外力场,构建了摇摆条件下汽泡脱离直径预测模型,通过实验数据进行验证,结果符合较好。通过受力分析发现,摇摆运动引起的浮力波动必须予以考虑。模型计算发现：角位移θ=0°时,汽泡脱离直径最小;而质量流速越大,这种趋势越不明显。如果系统存在5%以上的流量波动,则其对汽泡脱离直径的影响必须加以考虑。     

摇摆运动对过冷沸腾流体中汽泡受力的影响

摇摆运动引起的附加加速度会对过冷沸腾汽泡的受力产生影响.计算分析发现,附加加速度对汽泡本身的影响相对汽泡所受的其他力可以忽略不计;附加加速度会引起流量的波动,而汽泡受力大小和流量有密切的关系.本文计算了摇摆运动下的汽泡受力,并与不摇摆时的进行了比较,发现摇摆运动对汽泡受力的影响很大,这样会使汽泡脱离点位置发生明显的改变,进而影响沸腾换热.     

矩形窄缝通道内汽泡脱离直径可视化研究

以去离子水为介质,研究热流密度、入口过冷度和质量流速等热工参数对矩形通道内汽泡脱离直径的影响。主要参数如下:主流流体流动方向分别为竖直向上和纵倾45o,压力为0.16 MPa,质量流速G=300~700 kg/(m2.s),热流密度q=27.6~228.3 kW/m2,入口过冷度ΔTsub=20~40℃。研究发现,热流密度和入口过冷度对汽泡脱离直径的影响不明显;随着质量流速的增大,汽泡脱离直径明显减小。     

起伏运动对矩形窄缝通道内汽泡直径分布的影响

为进一步探明起伏条件下过冷沸腾两相流相分布特性,采用高速摄像技术和数字成像分析技术,对静止和起伏条件下窄缝通道内汽泡进行可视化实验研究.实验结果表明:随着起伏频率增加,各相位间流道内汽泡直径变化增大.在相同的起伏条件下,增加质量流速将减小各相位间汽泡直径波动幅度.文中给出汽泡平均直径随起伏运动波动幅值的预测关系式,预测结果平均相对偏差为±19.1％.     

摇摆运动对窄通道内汽液界面参数的影响

对摇摆运动下矩形窄通道内的过冷沸腾流动进行实验研究,通过数字图像处理技术计算出空泡份额和界面面积浓度等界面参数的变化规律,并分析影响界面参数波动的主要因素。实验结果表明,矩形窄通道内汽液界面参数受摇摆运动影响产生周期性波动,且波动周期与摇摆运动周期相同。摇摆运动下空泡份额和界面面积浓度的波动主要受汽泡等效直径变化的影响。     

摇摆运动对强迫循环沸腾流动特性的影响

对摇摆状态下的强迫循环沸腾流动特性进行实验研究。研究结果表明,当出口含气率达到一定值后,由于摇摆状态下的实验系统空间位置发生变化导致回路局部出现周期性的汽泡雍塞,诱发两相质量流速出现类似流动不稳定性的波动。流动的稳定边界主要受质量流速、入口压力、入口过冷度、摇摆角度及摇摆周期的影响。随着质量流速增大,摇摆参数的影响逐渐减小;系统压力、入口过冷度及质量流速越大,系统越稳定。     

倾斜及摇摆条件下窄通道内汽泡密度变化研究

通过可视化方法研究了窄通道内发生过冷沸腾时汽泡密度在摇摆与倾斜工况下的变化。图像统计结果表明：在摇摆过程中,汽泡密度呈周期性波动。通过数据对比发现：随着摇摆周期的减小,汽泡密度波动幅值逐渐增大,但波动形式无明显变化;随着摇摆角度的增加,汽泡密度有所下降,但波动形式不变。正角倾斜时,汽泡密度随角度的增大而逐渐减少;负角倾斜时,随角度的增加汽泡密度出现先减后增的现象。摇摆条件下最大角度处汽泡密度与对应角度下倾斜时的汽泡密度接近。     

流动沸腾汽泡脱离直径尺寸分布研究

沸腾是一个复杂的换热过程，大量实验表明，不同核化点的脱离直径存在区别，即使在同一工况下，同一核化点产生的汽泡脱离直径也会大小不一，因此汽泡尺寸分布不可忽略。尽管目前已有较多用于汽泡平均尺寸的计算关系式，但对于尺寸分布的研究仍较少。因此，本文针对流动沸腾下汽泡脱离直径的尺寸分布进行研究，对比常用的伽马函数和正态分布函数描述这一分布时的准确度，确定概率函数后，再对概率密度函数中两个重要的参数均值和标准差进行分析，最后得到一套预测不同工况下汽泡尺寸分布的关系式，该关系式准确度较高，并考虑了壁面过热度、质量流速等因素的影响。     

窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内垂直上升流过冷流动沸腾区域汽泡脱离频率进行可视化实验研究。结果表明,汽泡脱离频率随质量流速的增大而减小,随入口过冷度的增大而减小,随热流密度的增大而增大。将实验数据与文献中汽泡脱离频率计算模型进行比较,发现基于池式沸腾和饱和流动沸腾开发的计算模型不能准确预测过冷沸腾区域汽泡脱离频率。本文以无量纲参数的形式,分别用液相雷诺数、过冷雅各布数和核态沸腾热流密度表示质量流速、主流过冷度和热流密度对汽泡脱离频率的影响,获得矩形窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率预测关系式,关系式的平均预测误差为±17.1%。     

管流中汽泡的运动

管内沸腾传热决定于汽泡的运动状况,而汽泡的运动状况,则决定于汽泡所受的作用力。文章根据作用于管壁生成汽泡上的力,导出了汽泡脱离壁面的临界直径的计算公式,从理论上解释了汽泡脱离壁面与汽流速度及密度差的关系。分析了在管流边界层中作用于脱离壁面的汽泡上的力,导出了汽泡运动相对速度的计算公式及汽泡走向管子轴心速度的计算公式。还进一步分析了汽泡的合并、变形和分裂的机理,并导出了相应的计算公式。     

低压下水欠热流动沸腾的两相CFD数值模拟研究

采用两流体(汽相和液相)基本数学模型,结合汽相和液相之间的界面传热、传质和动量交换封闭模型、汽泡平均直径模型、汽泡脱离直径模型、汽泡成核模型、汽泡脱离频率模型、欠热沸腾起始点模型和壁面热流密度分配模型,在CFD软件CFX4.4中采用用户自定义函数将相变引起的传热、传质和动量交换作为源项分别添加到汽相和液相的能量、质量和动量守恒方程中,对低压下内管加热外管绝热的环形通道内的欠热沸腾进行了数值研究,得到了欠热流动沸腾下汽相体积份额、液相速度、汽相速度分布等。采用Lee等的环形通道内低压下欠热沸腾体积份额实验数据对计算结果进行了验证,吻合良好。     

Numerical simulation on single bubble behavior during Al2O3/H2O nanofluids flow boiling using Moving Particle Simi-implicit method

In this study, regression analysis on the thermal properties of Al₂O₃/H₂O nanofluids was made firstly. The growth and departure of a single bubble behavior in Al₂O₃/H₂O nanofluid and pure water flow boiling process were then numerically simulated by an improved Moving Particle Semi-implicit method in different flow boiling conditions. The results indicate that the bubble in Al₂O₃/H₂O nanofluids grows faster and the bubble departure frequency of Al₂O₃/H₂O nanofluids is greater than that in pure water. The flow boiling heat flux is also improved by dispersing nanoparticles of Al₂O₃/H₂O in pure water. This work initially reveals that nanofluids can enhance flow boiling heat transfer from the point of view of bubble dynamics behavior. The effects of nanoparticle concentrations and diameters of Al₂O₃/H₂O nanofluids on the bubble behavior were also investigated and compared under the same flow conditions. It is found that the increasing of nanoparticle volume concentration may increase the bubble departure frequency and departure diameter, while the increasing rates of departure frequency and departure diameter are lessened with the increasing of nanoparticle volume concentration. It is suggested that the suitable nanoparticle volume concentration of nanofluid for flow boiling heat transfer enhancement should not be too large, especially regarding the negative effect of flow resistance increase due to the increasing of nanoparticle volume concentration. The interesting finding is that in the same nanoparticle volume concentration condition, the bubble departure frequency for the nanofluid with nanoparticle diameter of 29 nm shows a maximum value. The increasing of nanoparticle diameter leads to the decreasing of bubble departure diameter. It is boldly to predict that an optimal nanoparticle diameter range between 20 and 38 nm should be beneficial to flow boiling heat transfer enhancement of Al₂O₃/H₂O nanofluids.     

过冷流动沸腾中汽泡脱离直径的理论研究

汽泡脱离直径模型是壁面沸腾计算中的一个重要子模型。为了正确预测过冷流动沸腾中的壁面传热情况,研究结合新改进的汽泡生长模型,采用力平衡方法对过冷流动沸腾中的汽泡脱离直径进行了模拟。汽泡生长模型同时考虑了微液层、过热层和汽泡顶部过冷液体层对汽泡生长所做的贡献,并采用饱和沸腾与过冷沸腾2个实验对其进行了验证,结果表明预测曲线与实验值吻合良好。另外,选取了3个过冷流动沸腾实验来验证汽泡脱离直径模型,模拟结果均在可接受的误差范围内。      

The modeling and validation of the flow and heat transfer models of pulsating flow in channels in rolling motion

The flow and heat transfer models of laminar flow and turbulent flow in rolling motion are established theoretically and modified with CFD results and experimental data. The correlations of frictional resistance coefficient and Nusselt number in pipes in rolling motion are obtained. The effect of rolling motion on the flow and heat transfer is mainly affected by the Reynolds number, angular acceleration and channel diameter. As the channel diameter is small, the effect of rolling motion on the flow and heat transfer is weak. The modified correlations of frictional resistance coefficient and Nusselt number in rolling motion could predict the flow and heat transfer in pipes in rolling motion correctly. The average discrepancy between theoretical correlations and experimental data is about 15%.     

Experimental and theoretical analysis of bubble departure behavior in narrow rectangular channel

Visual experimental study focusing on bubble growth and departure behaviors in a narrow rectangular channel was carried out in this paper. Deionized water was used as working fluid, and the experiment was performed at atmospheric pressure. The cross section of the narrow rectangular channel is 2 mm × 8 mm. A high speed digital camera was applied to capture the behaviors of bubble growth and bubble departure from the nucleation site. The bubble departure diameter, bubble inclination angle, upstream contact angle, downstream contact angle and bubble contact diameter were obtained according to the observation. An analysis of force balance on a growing bubble was performed to predict the bubble departure diameter in the narrow channel, and the effect of bubble interface parameters on the prediction of bubble departure diameters was discussed in this paper. The result of predicted model agrees well with the experimental result with a maximum relative deviation less than 25%. According to the study proposed in this paper, the mechanism of bubble departure from a nucleation site can be explained based on the force balance analysis of a growing bubble, and the major forces dominating the bubble departure are the buoyancy force, surface tension force and quasi-steady drag force.     

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明，汽泡在核化点生长时，汽泡底部与加热面存在一小的接触面，总体而言，汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下，不同核化点处汽泡生长规律基本相同，但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小，脱离时间较长，可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内，统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随入口欠热度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随主流速度的增加，汽泡平均脱离直径减小。     

常压下ATF锆合金包壳Cr涂层表面饱和池式沸腾气泡行为实验研究

铬（Cr）涂层锆合金包壳是最有前途的耐事故燃料（ATF）的新型包覆材料之一,对其表面的气泡动力学进行研究有助于评估是否具有更好的传热性能。在常压下的Cr涂层锆合金包壳池式沸腾实验装置中对不同工艺方法下制备的Cr涂层锆合金包壳进行实验,研究了粗糙度等表面状态对气泡产生、长大以及脱离等气泡行为的影响。结果表明,气泡接触角与Cr涂层表面粗糙度有关,粗糙度越大,表面气泡接触角越小;不同涂层工艺下制备的4种Cr涂层锆合金包壳样件表面的气泡脱离直径范围为1.256～1.446 mm,气泡脱离频率范围为29.99～50.97 Hz;气泡脱离直径与粗糙度呈负相关,脱离频率与粗糙度呈正相关;气泡脱离直径预测模型与实验数据之间的偏差为±6%,脱离频率预测模型与实验数据之间的偏差为±3%。     

水平矩形小尺度通道气泡脱离直径预测模型

为预测水平矩形小尺度通道内气泡脱离直径,以研究其泡核沸腾传热特性,采用力学方法对加热壁面附壁气泡进行力学分析,构建了一种基于受力平衡的气泡脱离直径预测模型。采用可视化实验的方法对其进行验证,结果表明,模型预测结果与实验数据之间的平均相对误差为±13.52%,该模型具有良好的气泡脱离直径预测准确度。