R134a工质作用下电场对气泡的作用研究ANSYS模拟

---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ R134a工质作用下电场对气泡的作用
研究+ANSYS模拟
摘要：为了探明外加电场对于气泡的作用，本课题针对均匀电场下气泡周围电场分布状况进行研究。

选用R134a工质，利用ANSYS计算软件，编程求解出不同电场作用下气泡周围场强分布特性。

分别向上极板施加15kv,20kv,25kv的直流高压电场，对单个气泡附壁、脱离及多个气泡生成并部分脱离时电场分布特性进行了数值模拟。

结果表明，气泡周围电场分布不再均匀，随着施加的直流高压电场的增大，场强也逐渐增大，随着两侧的场强增大，而靠近气泡顶部及底部附近的场强降低。

随着气泡数量的增多，场强对气泡的作用相应变弱。

场强使气泡周围电场特性发生改变，使EHD强化效果增强。

4482
关键词：电水动力学气泡均匀电场电场特性数值模拟
1 / 45
EFFECT ON BUBBLES IN ELECTRIC FIELD IN ETHYL ACETATE WORKING FLIUDS
ABSTRACT：In order to proven the role of the applied electric field for the bubbles. This research focuses on the numerical simulation of the electric field distribution around the bubble that is under the uniform electric field .The working fluid used is R134a. Ansys is used to simulate the electric field distribution of the bubble under different uniform electric field .The top plate is respectively exerted 15kv,20kv and 25kv direct-current high voltage electric field, the simulations is carried out when a bubble attaches, departs or when the formation with partial departure of several bubbles. The results indicate that the electric field distribution around the bubble is no longer uniform .The field strength also is increased with the increase of the applied direct-current high voltage electric field, and the electric fields of the two sides are enhanced while near the top and bottom areas the electric fields decrease. As the numbers of bubbles become more, the effect of electric field on bubbles becomes weaker. So the conclusion is reached that the electric field distribution
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
around the bubbles will be changed by the electric field and thus will enhance the effect of EHD.
4.3计算结果及分析27
4.3.1工质对气泡周围电势分布的影响28
4.3.2工质对气泡周围电场分布的影响39
第五章结论52
致谢53
参考文献53
1绪论
3 / 45
1.1课题选择依据及研究意义
能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济和社会发展的重要战略物质。

由于世界上石油、天然气资源储量有限，能源短缺以及能源与环境恶化的相关性，各国都在进行新能源的开发工作以解决能源紧张局面，因此节能工作是关系到人类生存的大问题。

节约能源、提高能源的利用效率，是缓解能源紧缺，保证国民经济持续发展的有效措施之一。

强化传热是节能的有效手段之一，开发和研究新型、高效的强化传热技术，并在国民经济各部门中推广应用具有重要的现实意义。

根据传热学基本理论，在温差基本不变的条件下，要减少热阻，提高传热效果不外乎两种途径：增大换热器的传热面积和提高换热系数。

增大传热面积的代表方法是用肋片管，对它的研究应用现在已经比较成熟；提高换热系数的方法有多种多样，本文介绍的外加电场强化传热是其中的一个重要领域。

电水动力学(electro hydro dynamics ,简称EHD)强化传热是指在流体中施加一高压电场,利用电场、流
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
场和温度场三者之间的耦合作用达到强化传热的目的. 该方法与其他主动强化传热方法相比,具有强化效果显著、功耗低和易于控制表面热流密度等优点,已逐步得到国内外学者的广泛重视. 以往的研究认为, EHD 强化沸腾换热的主要原因在于两方面,一方面是电场对流体的电对流作用,另一方面是电场对气泡的作用. 前者的研究早在上世纪70 年代就已有了长足的进展,但由于EHD 强化沸腾换热中气泡行为的复杂性,使得长期以来对气泡的研究多集中在试验观察和定性分析上,而理论研究和定量结果十分有限,且研究多数集中在国外,国内却少有报导.从工程实际应用的角度来讲，EHD强化传热技术具有其独特的优越性和良好的应用前景，一方面电场强化传热技术可减轻换热器重量，减小换热器尺寸，节省材料，降低换热器和附属设备的投资成本；另一方面可降低工质与传热面间的温差，从而提高热力设备的整体效率。

从对新能源的开发利用角度来讲，如：海洋能、地热能和太阳能的利用，由于传热温差很小，因而效率较低，而EHD强化传热技术恰恰对小温差传热的强化作用非常明显。

因此，该技术可成为暧通空调、化工、冶金、能源、航天等领域的一门具有发展前途的强化传热新技术，对该技
5 / 45
术的研究和开发将对节约能源、缓解能源紧张、保证国民经济持续发展将具有重要的现实意义和社会意义。

Zaghdoudi等分析了气泡外某一固定方向的上的速度之大小，并计算了法向和切向电场力对气泡变形产生的影响。

国内一些学者对单个气泡进行了研究，结果表明，气泡的引入使得其两侧的场强增加、顶部及其底部的场强降低，气泡内部场强不为零气泡的引入使得其两侧的场强增加、顶部及其底部的场强降低，气泡内部场强不为零。

1916年，英国学者Chubb[1]发现EHD能强化沸腾换热，使锅炉产生的蒸汽量为由107 kg / h•m2提高到366 kg / h•m2，其强化效果可达3.4倍左右，并申请了专利。

之后的近二十年，未见相关报导。

至1936年，Stenftleben发现电场对气体自然对流也具有强化作用。

但由于当时对节能的需求不十分迫切，世
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
界各国对强化传热的研究还未足够重视，所以上述EHD强化传热现象一直没有引起人们的关注。

直至二十世纪50年代初，Kronig于试验中证实了电场可增加绝缘的电介质液体的对流换热系数。

至此，才开始了EHD强化传热的系统研究。

50至70年代中期，EHD强化传热研究多数集中在单相对流换热方面，包括对单相气体和液体的研究。

对于气体，主要研究了水平或垂直放臵的平板和管内的强化换热，采用的电极形式为针状或线状电极，工质多数为空气，也有少数学者对氮气、二氧化碳及惰性气体进行了研究。

研究结果表明，不同试验条件下，其强化换热系数可达2~12，并对其强化原因给出如下解释：在强电场作用下，电极附近的气体分子发生电离，大量离子运动产生的电晕风对平板或管壁附近的气体运动产生很大的扰动，从而大大地加强了气体与壁面间的对流换热。

Velcoff[4]于试验中发现，只有当电场强度超过一定的程度并使得产生的电晕风速度与空气速度为同一量级时，才有明显的强化作用。

因此，对于较高风速就需要很强的电场，这将引起附属设备的复杂化。

对于单相液体，工质多数为电介质，如变
7 / 45
压器油等，其强化换热系数可达1~8.4。

早期的研究多以试验观测和现象描述为主，Schmidt[5]通过对试验现象的观测，指出电对流是强化单相液体换热的主要原因。

发展至60年代，已有学者对单相液体强化换热机理进行了较深入的研究，并取得了一系列重要成果。

1962年，Bonjour[6]对Ahsmann[7]提出的电影响参数作进一步修正，其结果与试验数据吻合得较好。

此外，提出了流体电导率分布不均匀所产生的自由电荷的电泳力会影响换热，并首次对电荷松驰时间进行分析。

之后的数年中，有越来越多的学者做了大量的试验研究及理论分析工作。

尤其是Turnbull于68、69年期间发表了近9篇文章，对电场引起的电对流现象进行了较全面的分析，他指出直流电场作用下，自由电荷所引起的电泳力对换热的强化起主导作用，提出了新的电影响参数表达式，为EHD强化单相对流换热研究作出了很大贡献。

这期间，也有一些学者做了有关熔解、凝固和升华、凝结等方面的研究，但成果颇为有限。

在经历了上述二十多年的发展之后，从80年代中期
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
开始，EHD强化沸腾传热进入新的发展阶段。

90年代，随着余热利用、暖通空调、海洋能和地热能开发中对小温差传热的要求，EHD强化沸腾传热得到了空前的重视和迅猛的发展。

近些年来发表的EHD强化沸腾传热论文占1916年来所发表的相关论文总数的70%以上。

在此阶段内，研究人员开始由单个的试验研究转向各种因素对EHD强化沸腾传热的影响规律和EHD强化沸腾传热的机理的研究[29]。

1990年，Cooper[9]提出了EHD强化核态沸腾模型，Pascual[10]于试验中验证了此模型的有效性，并指出该模型对于均匀和非均匀电场都是适用的。

国内于90年代中期，在上海理工大学和上海交通大学等单位也开始了此方面的研究工作。

从以上EHD的发展历程可以看出，该技术经历了从强化单相对流换热发展到强化两相换热，尤其是对EHD强化两相沸腾换热的研究已越来越受到重视。

从研究目的上看，对EHD强化传热技术的研究经历了初始的仅考察其传热效果到揭示其机理和理论上来。

从研究方法和手段上看，其研究由当初的考察性试验、定性分析转到了试验与理论分析相结合，而且发展到
9 / 45
采用数值求解。

但由于EHD强化传热过程中电水动力学的复杂性，特别是在沸腾换热方面，各种力和相关参数之间的影响相当复杂，因此，还有许多问题值得探索。

1.3 EHD强化沸腾换热的研究现状
EHD强化沸腾换热效果同多种因素有关，其中主要影响因素有电场特性、工质性质和热流密度。

1.3.1电场特性对EHD强化沸腾换热的影响
电场的影响主要包括三个方面：一是指电场方向（在某些情况下也指所施加的电场的极性）；二是指电场的分布，即电场强度的均匀性和非均匀性分布：三是指电场强度。

就电场方向和电场分布对ＥＮＤ强化传热的影响进行了讨论。

电场特性主要包括场强的大小、极性和电场分布的均匀性，这些特性对EHD强化效果均有不同的影响。

---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ (3) 电场分布对沸腾传热的影响
电场分布的均匀性对换热强化效果也有很大影响。

电场分布的不均匀主要是由于电极的结构和布臵方式的不同而引起的。

在目前的研究中，多数试验采用了非均匀电场，且认为非均匀电场的效果较好。

Paper等对直线状、螺旋状线电极和网状电极进行了对比研究。

在相同的条件下，由于网状电极的电场强度和电场非均匀性都比直线状和螺旋状电极的强，故网状电极的强化效果最好，强化系数为5，而直线状和螺旋状电极分别为4.5和3.9。

Cheung等先后用R-134a为工质对直线状电极、环状网格电极和矩形网格电极进行电场强化沸腾换热的对比试验研究。

在相同的条件下，当热流密度为8kW/m2时，3种电极都获得了最大的强化系数，直线电极的最大强化系数为3，环状网格电极为5.1，矩形网格电极为5.5。

陈玉明对直线状、针状及开槽管电极进行了对比试
11 / 45
验，试验数据表明，对于针状电极，由于电极尖端产生强烈的不均匀电场，其强化效果优于直线电极。

其中开槽管电极的强化效果最好，他将其归因为管网结构而产生的复杂电场，另一方面是在有限的空间内汽泡运动引起扰动较强的原因。

此外，试验中发现当线状电极的直径减小时，电场的不均匀性增强，其强化效果也相应增加。

Karayiannis通过调整线状电极与换热面之间的距离改变电场均匀性和对称性，发现偏心布臵时强化效果较好。

Damianidis等使用杆状/穿孔板组合电极对水平低肋管束的强化传热进行了试验研究，工质为R114，在热流密度为800 W/m2时，获得最大强化系数为2.5。

认为这种电极结构形成的电场分布类似于管外同轴圆管形电极的电场分布，传热表面附近的平均电场强度高于线状和杆状电极，但存在着结构复杂、空间利用率低和流体流动压降较高等缺点。

---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
2 EHD强化沸腾换热理论基础
2.1 EHD强化传热机理
沸腾换热属于两相换热，在这种换热方式中，EHD 对传热的强化作用主要是由电场对汽泡的力和作用于汽液界面上的力等因素单独或综合影响的结果。

另外一方面就是汽液界面上的电荷与换熟面上电荷的拉伸作用。

EHD力在沸腾传热中的作用，除了促进汽泡的运动外，一方面它使核状沸腾的汽泡发生变形或使较大的汽泡变小，另一方面它对膜状沸腾中的汽膜产生破坏，从而使膜状沸腾转变为核状沸腾。

EHD强化传热，除了涉及到传统的流场和温度场之间的相互作用外，还涉及到电场，因此，它是一个复杂场(或复合场)的多场综合效果。

实际上，在该问题中，流体在电场中包含带电粒子、极性分子、非极性分子以及汽液界面等，这些组分在电场中的受力情况各不相同，受力以后产生的运动又相互作用，一方面，流体中的温度梯度使流体的导电系数发生变化，从而产生空间电荷，即温度场影响了电场；反过来空间电
13 / 45
荷在电场中的运动以及电场力又影响了流场；电场和流场的相互作用又影响了温度场及传热效果。

因此，EHD强化换热的机理非常复杂，多年来，国内外学者为探索EHD强化传热的机理作了不懈的努力，也取得不少进展。

EHD强化传热过程的完整描述需要从流场、温度场和电场三方面着手，而且要考虑它们之间的相互耦合作用。

Panofsk根据电磁学理论，给出了电场中流体所受电场体积力的一般表达式：
(2-1)
式(2-1)中右侧第一项为电场施加于介质中自由电荷上的力，称为电泳力（Electrophoretic Force）或库仑力，该力的方向取决于自由电荷的极性和电场的方向；第二项表示由于介电常数的空间变化而产生的施加于介质上的力，称为介电电泳力（Dielectrophoretic Force）；第三项表示由于介电常数的随介质密度的变化而产生的施加于介质上的力，称为电致收缩力（Electrostrictive Force）。

---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
式中为电荷扩散系数。

式(2-1)～式(2-8)组成了电场作用下的流场和温度场的完整的数学模型。

从以上各式可以看出，该组方程比单纯的求解电场、流场和温度场要复杂得多，特别是在不同的应用情况下，其边界条件的确定也相当复杂。

因此，在实际应用中常常要做一些假定或给定一些简化的条件。

对于单相对流换热，流体中的温度梯度会引起其电导率和介电常数分布的不均匀。

当和变化时，流体中会产生自由电荷，即电场体积力中的电泳力会对换热起作用。

自由电荷的产生取决于电导率和介电常数，其关系如下：
忽略电荷运动，式(2-8)可写为：(2-9)
在稳恒电流情况下，电荷分布不随时间变化，即，所以式(2-7)变为：(2-10)
则有：(2-11)
15 / 45
由式(2-10)和(2-11)得：
(2-12)
而由式(2-5)得：
(2-13)
将式(2-12)除(2-13)并整理得：
(2-14)
作为流体本身的物性，和主要与温度有关。

假设和仅是温度的函数，则在温度场中，式(2-14)写为：
2.2 EHD强化传热的优势
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
同其他强化传热技术相比较，EHD强化传热具有以下优点：
1．方便性。

通过对电场强度的控制来实现对强化效果的控制。

即易于控制热流和温度在任何传热表面，特别是需要控制局部温度和局部热流的应用场合，只需控制电压就可达到迅速控制热流和温度的目的。

2．设备简单。

仅需一台电压转换装臵及附加的电极。

3．用于某些特殊场合。

例如，在航天设备中。

由于没有重力，沸腾传热中产生的气泡不易脱离传热表面，从而引起传热恶化甚至导致事故。

4.应用范围广。

从传热方式上看，适合于单相流动和多相流动：从工质的角度上看，它不但可应用于气体、油等绝缘流体，而且可以应用于弱导电甚至强导电的流体，特别适用于近几年开始大量使用的ＣＦＣ替代物。

5.耗能少。

一般来说，流场内电场的总电压相当高
17 / 45
（一般在20kv以上），但电流却很小，相对于传热量，其电功率的消耗可忽略不计。

对于一般换热面积的换热器消耗功率也只有几瓦到几十瓦。

例如在文献中采用电场强化冰箱冷凝器的换热，测试结果表明：冷凝器外表面对流换热系数提高了1.2～4.9倍，冰箱每昼夜节电18%～36%，而电场附属设备成本为冰箱造价的4%～6%，消耗电功率也只有0.5～2.7W。

由此可见，这种强化传热方法为冰箱所带来的节能效果是明显的，同时也提高了冰箱的运行经济性。

6．强化传热效果显著。

根据试验结果，对单相对流传热，当利用外加电场射流方法时，其传热系数最大可以增加100倍；对凝结传热，其传热系数可增加6倍左右；对沸腾传热，其传热系数最大可增加约50倍。

且对于小温差传热强化作用尤为明显。

从工程实际应用的角度来讲，EHD强化传热技术具有其独特的优越性和良好的应用前景，一方面电场强化传热技术可减轻换热器重量，减小换热器尺寸，节省材料，降低换热器和附属设备的投资成本；另一方面可降低工质与传热面间的温差，从而提高热力设备的整体效率。

从对新能源的开发利用角度来讲，如：
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
海洋能、地热能和太阳能的利用，由于传热温差很小，因而效率较低，而EHD强化传热技术恰恰对小温差传热的强化作用非常明显。

因此，该技术可成为暧通空调、化工、冶金、能源、航天等领域的一门具有发展前途的强化传热新技术，对该技术的研究和开发将对节约能源、缓解能源紧张、保证国民经济持续发展将具有重要的现实意义和社会意义。

Ogata研究了电场对汽泡大小和形状的影响。

不加电场时，汽泡呈球形，直径为1 mm；当施加电压（上电极板施加正直流电压）后，汽泡形状发生变化，沿换热表面做水平运动，汽泡被拉长，底部保持与平板接触，上下振动。

振动不久后，汽泡下半部分变小，最终跃离平板进入液体当中。

当电压加至24 kV时，被拉长的汽泡最大长度可达3 mm左右，穿过上极板后，这些椭圆形汽泡又恢复为球形。

附着于换热面上汽泡的形状是具有一个延伸底面的半椭球形，它的汽液界面受到很大的破坏。

随着电压的增大，汽泡直径变小。

对于蒸汽泡，其变形规律相似，但其变形幅度
19 / 45
小于均热下的汽泡。

Ogata对此进行了理论分析,他认为由于过热区的电场强度小于饱和区，作用于汽液界面上的电场力变弱。

假设汽泡内等压且体积大小保持不变，汽泡将会被电场力压在饱和流体界面上，中间变长，底部变宽，因此汽泡在过热层被拉长。

Cho在均匀电场的试验中也观测到的类似的现象，并对此进行了数值分析，其数值计算结果与试验中观测到的现象相吻合。

此外，还对电场为非均匀时汽泡形状进行了研究。

结果发现汽泡变形量还会随电场非均匀性的增加而增大；由于汽泡底部电场力分布的局部更加不均匀，对于变形量比较大的汽泡，其底部会变得更细。

对悬浮于液体中的稳态汽泡形状进行数值模拟，得出相同结论，即汽泡会沿电场方向拉长，变为扁长形状，且变形量随场强的增加而增大。

并进一步研究了变形的汽泡在电场作用下的脉动情况，其脉动频率随场强的增加而逐渐提高。

2. 汽泡的接触角和表面张力
在核态沸腾中，Rohseno认为在给定的汽泡尺寸的情况下，汽泡生长所需的过热度取决于汽液界面的表
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 面张力。

同样，接触角与表面张力有关，其关系为：
Danti和Marco采用高速摄影光学系统对此进行了研究，发现汽泡的上升速度随着电压的增加而增大。

当电压超过10 kV时，速度出现峰值，当电压达到18 kV 时，其上升速度约为0.22 m/s。

在同一电压下，当汽泡距换热面垂直距离为0~2 mm时，汽泡做加速运动，然后随着汽泡距换热面垂直距离的增加，汽泡上升速度逐渐变小，当距离超过3 mm时，上升速度趋于不变。

此外，Marco还研究了在微重力场情况下汽泡的上升速度，此时同样存在峰值，但稍低于有重力场情况，这表明浮力在汽泡上升过程中起主要作用。

随着汽泡距换热面距离的增加，汽泡最终上升速度降到零。

Kweon采用线—板电极结构，在试验中观测到同样的现象。

随着电压的增加，汽泡的上升速度逐渐增大，当电压升至20 kV时，汽泡上升速度约为无电场情况下的5倍。

汽泡在加热丝附近的速度要高于汽泡上升到主流区的速度。

通过试验中拍摄的图片观
21 / 45
察到沿加热丝底部向下跃离的汽泡会滞留在距加热丝一定的高度范围内，且该距离随着电压的增加而增加。

这一现象表明：在这一区域，汽泡受的合力为零。

2.4 电场对气泡动力学特性的影响
汽泡动力学是近几十年以来逐步发展起来的一个分支学科，它主要研究汽泡生长和跃离的规律和条件。

研究汽泡动力学，对于弄清核态沸腾换热的机理具有重要意义。

现有的核态池沸腾换热机理模型都是从研究单个汽泡的形成、生长和跃离以及伴随这一动力过程的瞬态换热现象着手的，而且这些机理模型均包含着表征汽泡动力过程的主要参数：汽泡的跃离直径和跃离频率。

在EHD强化沸腾换热过程中，汽泡的行为不仅是一种两相之间的传热、传质行为，还涉及其电力学特性，其数学描述是相当困难的。

加之汽—液界面具有的不确定性，汽泡形状、长大、破裂和上升运动过程中的随机性成分，使得该方面的研究成果十分有限，汽泡跃离直径及跃离频率的预测至今还没有取得令人满意的结果，到目前为止，多数限于试验观察阶段，只有Marco、Kweon和Pascual给出了一些数据统计结果。

---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------
(2-20)
可以看出，电场中的汽泡跃离直径小于无电场时的汽泡跃离直径，且随着电场强度的增加，汽泡跃离直径减小。

Marco采用六根线状电极对称分布在一加热丝外的结构进行试验研究，结果发现随着电压的增加，汽泡跃离直径变小，其定量结果与Baboi给出的模型吻合较好。

此外，他还观察了电场对微重力场情况下汽泡跃离直径的影响。

当电压比较小时，微重力场下汽泡跃离直径大于相应重力场的情况，约为重力场下的3倍。

随着电压的增加，汽泡跃离直径逐渐变小，是当电压超过一定值(10 kV)时，微重力场下汽泡跃离直径几乎和重力场作用下相同，这表明：在微重力情况下电场力占主导地位。

以上研究均针对非均匀电场，Kweon对平板电极组
23 / 45
成的均匀电场系统进行试验研究，结果发现随着电压的增加，汽泡的跃离直径几乎保持不变，他认为作用在汽泡上的电场力的增加同表面张力的减小几乎相同，两者相抵消，因而汽泡的跃离直径保持不变。

之后，又进一步对线——平板电极组成的非均匀电场进行研究[83]，并给出了该种情况下汽泡跃离直径的表达式：
(2-21)
式中，常数C1与无电场作用时的试验条件相关，C2由电场存在时的试验数据拟合来确定。

理论计算表明：当电压为20 kV时，汽泡跃离直径为无电场时的27%，与试验值基本相符。

此外，Pascual在试验中也发现汽泡平均跃离直径变小。

总的来说，该软件具有下面三个方面的特点：
(1)强大而广泛的分析功能：可广泛应用于求解结构、热、流体、电磁、声学等多物理场及多场耦合的线性、。