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。     

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。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

疏水表面沸腾气泡底部微液层生长特性

将激光干涉法和高速摄像技术相结合,研究了疏水ITO加热表面生成的单个乙醇气泡的动态特性,观测研究了其底部的微液层,并与之前的亲水加热表面的气泡生长脱离过程进行对比分析。本实验同时使用两台高速摄像机：一台记录气泡底部微液层干涉条纹,另一台从侧面同步记录单个气泡的生长和脱离图像。通过对这些图像逐帧比较,并与亲水表面的气泡生长过程对比后,发现疏水表面气泡的生长周期没有等待期,且脱离期时间远大于生长期,气泡底部的微液层存在形态不稳定,气泡在生长和脱离过程中会发生随机滑移现象。     

R-113池沸腾气泡行为的可视化及传热机理

利用ITO透明加热膜和高速摄影仪,对制冷工质R-113在压力为0.1 MPa的池沸腾的气泡行为进行了可视化研究.利用高速摄影仪观察得到了不同热通量下气泡的生长、脱离以及相邻气泡之间的合并情况.实验结果表明,随着热通量的升高,气泡的脱离时间减小,而加热壁面的汽化核心密度增大.文中给出了气泡的脱离时间、脱离直径以及汽化核心密度随热通量的变化曲线.在实验过程中,并没有观察到气泡底部的微液层在蒸干过程中有液体补充.最后,利用动态微液层模型对R-113的池沸腾换热曲线进行了预测,并将预测结果和实验结果进行了对比,结果显示,预测结果与实验结果符合较好.     

微柱表面液滴定壁温沸腾实验研究

利用高速摄像技术对去离子水液滴撞击微柱结构表面后的蒸发及核化过程进行观测。实验测得不同壁面温度下液滴蒸干时间,获得液滴沸腾曲线;发现相对光滑表面,微柱表面在50、60、70、80、120℃强化相变换热,120℃时强化比例最大,达到35.71%;壁温为90、100、110℃时,微柱表面无强化作用。从液滴直径和厚度的变化可知微柱表面液滴蒸发分为两个阶段：第一阶段,液滴直径不变,厚度变化;第二阶段,液滴厚度接近微柱高度,直径减小。随壁温升高,第一阶段时长显著缩短。液滴内部核化点密度和气泡平均直径随壁面温度的升高均有明显增大的趋势。需指出的是,液滴冲击对微柱表面液滴内部核化点分布有重要影响,受微柱结构及滴落冲击作用液滴内部成核气泡沿液滴半径呈辐射状分布。     

基于气泡动力学分段调控浸润性强化核态沸腾

基于多孔或微结构表面润湿性改性的核态沸腾强化传热,已得到广泛研究。利用CFD-VOF数值模拟方法,针对单晶硅微柱表面单气泡的生长及脱离过程,进行表面浸润性分段调控,实现气泡沸腾换热的全程强化。分别调控初始接触角为48°、60°、90°和110°后,同一时刻 （t = 0.152 ms） 变接触角为20°,对比研究分段调控浸润性对气泡动力学过程与表面换热性能的影响。结果表明：疏水性可提高气泡生长速率,增强微柱表面对气泡的黏附力,促进气泡在微结构缝隙内的横向铺展;t = 0.150 ms时接触角为110° 表面上气泡与底面接触面积增加1.3倍,微层蒸发功率增加1.2倍。需要指出的是,毛细效应随颗粒粒径变化趋势受到多孔介质复杂孔隙结构特征的影响。在当前粒径范围内,认为其具有正相关关系,但在更大范围内的对应关系,还需要在未来进一步深入揭示。     

纳米结构表面液体沸腾传热的分子动力学模拟

为了从纳米尺度了解表面结构和润湿性对池沸腾液体与固体壁面的传热性能,本文采用分子动力学方法研究了超亲水至超疏水不同润湿性的液体氩在光滑表面和含凹、凸半球纳米结构表面的沸腾传热过程,分析了三种表面上液氩在受热过程的形态、温度、热流密度等相关参数的变化情况。结果表明,液氩层沸腾过程大致可分为液氩层吸附于固体表面和液氩层从壁面脱离两个加热阶段,当液氩层吸附于固体表面时,温度升高、热流密度及气态氩原子产生速度均大于液氩层脱离壁面时的情况,在这两个阶段亲水表面上氩原子温度变化有明显的拐点,而疏水表面在两个阶段加热过程相差不大。亲水表面上的微结构能吸附更多液氩原子,促进了气泡产生及加速温度、热流密度的变化,而在疏水及超疏水微结构表面,微纳结构与液氩间的气膜层促进了气泡产生,计算结果为池沸腾传热及微结构选择提供了理论依据。     

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。     

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。     

竖直窄流道内过冷流动沸腾的单汽泡生长模型

The process of bubble growth on heating wall in subcooled boiling includes the micro-layer evaporation on heating wall and the bubble top coagulation when the bubbles grow to a certain size and emerge into the subcooled mainstream fluid. Based on this consideration, a model for the single bubble growth of subcooled flow boiling in vertical narrow rectangular channel was proposed.Compared with experimental results, the error of the simulation results using the proposed model is less than ±25%. The simulation results indicated that as the wall superheat increases, the bubble growth gets faster, with the subcooled degree of mainstream increases, the bubble growth in later stage would be slowed, with the contact angle increases, the contact radius of the bubble bottom and the wall tension would be strengthened, resulting in faster bubble growth to make the bubble to be flat and more easily exposed to the mainstream. The velocity of mainstream has no significant effects on bubble growth rate.     

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。     

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。     

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.     

Effects of bubble coalescence dynamics on heat flux distributions under bubbles

Bubble coalescence events and single bubble nucleation, growth, and departure were observed with a charge‐coupled device (CCD) camera synchronized with a high‐speed data acquisition system measuring the heat fluxes at different positions underneath the bubble. Four different kinds of coalescence events took place with characteristic heat flux signatures for each type of event. The heat transfer measurements under four typical heaters representing different positions under the bubble showed very different heat flux characteristics during each ebullition cycle. The results show that transient conduction due to the movement of the contact line during bubble interactions, sliding, stretching, and oscillating is the main mechanism resulting in the high heat transfer rates during coalescence. Fast evaporation of the liquid layer trapped between the two bubbles and higher heat fluxes near the contact line as the microlayer evaporated also generate high heat flux spikes but have less influence due to their short duration and small influence area. © 2012 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 59: 1735–1745, 2013     

梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离特性

利用实验手段对梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离行为特性进行了探究。实验工质为去离子水、浓度分别为400 mg·L^-1和800 mg·L^-1的正庚醇溶液。梯度金属泡沫材质为铜和镍,铜泡沫层和镍泡沫层厚度均为4 mm,孔密度分别为40 PPI和10 PPI。实验结果表明：添加正庚醇会使池沸腾气泡脱离直径变小,数目减少,但其浓度变化影响不明显;在热通量6.6×10⁴ W·m^-2沸腾时,观察到气泡脱离金属泡沫骨架阻碍两种常见运动形式：气泡破裂和整体滑移;当热通量增加到1.0×10⁵ W·m^-2时,相邻的两个气泡在梯度金属泡沫内合并成一个大气泡脱离金属泡沫。     

受限纳米通道内气泡核化的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟研究受限纳米通道内液体在固体壁面上的核化生长过程,本文主要研究固体壁面润湿性对液体核化生长的影响并分析了气泡成核机理。结果表明：不同壁面润湿性对气泡核化生长产生较大影响。壁面润湿性强时,近壁面处会形成一层液膜,出现与池沸腾不同的现象,流体在液膜层发生均质核化,气泡核化生长速度较快;壁面润湿性较弱时,液体在近壁面处发生异质核化,气泡核化生长速度相对较慢;壁面润湿性最弱时,在近壁面处会形成一层气膜,热量通过气膜传递给流体,传热效果不佳,液体很难发生核化现象。形成这种现象的原因是壁面润湿性强,近壁面处会形成“类固体”层,热量由壁面经“类固体”层传给通道内流体,传热效果好,此外,“类固体”层越厚传热效果越好。壁面润湿性弱时,近壁面处没有“类固体”层,会形成一层气膜,降低传热效果,影响通道内流体核化生长。     

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。