基于RPI沸腾模型的液氮池内核态沸腾过程模拟与分析

流体 建立 。液 氮 等低温 流体 的表 面 张力和 接触 角小 、
采用 欧拉 多相 流 模 型 对液 氮 池 内核 态沸 腾 换 热
蒸发 潜 热低 ，热物 性 与 室 温流 体 有 较 多 不 同 ，许 多 常 中的气 液两相 进 行 数值 建 模 。将 气 液 两 相 看作 是 互
Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｆ ｌｕｘ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｃａｓｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃｅｓｓ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｏｌ ｂｏｉｌｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｎｕｃｌｅａｔｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｇｒｅｅ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ． Ｔｈｅ ＲＰＩ ｂｏｉｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍ ｏｄｅｌｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｏ ｂｅ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｏｏｌ ｂｏｉｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｎｕｃｌｅａｔｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏ— ｇｅｎ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｏｕｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｓｃｅｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．
态沸 腾 区温压 小 、传 热 强 ，许 多 工业 应 用 都 会 选 择此 处 于接 近静 滞 的状 态 ，池 内流 体 运 动 属 于低 雷 诺 数
区域 。学者们 对 常温 流 体 池 沸腾 已有 较 为 充 分 的研 区 ，为层 流状态 ，选 择层 流模 型描 述池 内流 动状况 。 究 ，现有 的沸 腾换 热关联 式 及机理 模 型大都 基 于常温 ２．１ 欧拉 多相 流 模 型
收 稿 日期 ：２０１８－０８－３０；修 订 日期 ：２０１８－１０—０５ 基 金 项 目 ：国 家安 全 重 大基 础 研 究 计 划 项 目 （６１３３２２）。 作 者 简 介 ：吴 舒 琴 ，女 ，２５岁 ，硕 士 研 究 生 。 通 信 作 者 ：金 滔 ，男 ，４３岁 ，博 士 生 导 师 、教 授 。
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低 温 工 程
影 响 因素众 多 。池 沸 腾 有 以 下 几 个 阶段 ：自然 对 流 数值 建模 。核 态沸 腾 时 ，加 热面 附近及 正上 方流 体 因
区 、核态 沸腾 区 、过 渡 沸腾 区和 膜 态 沸腾 区 。其 中核 温差 以及 气泡 的扰 动而 流动 ，而远 离加 热面 处流 体则
文章编 号 ：１０００—６５１６（２０１８）０５－００２７－０６
Ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｔｅ Fra Baidu bibliotekｏｏｌ ｂｏｉｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＲＰＩ ｂｏｉｌｉｎｇ ｍ ｏｄｅｌ
Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ；ｐｏｏｌ ｂｏｉｌｉｎｇ；ｎｕｃｌｅａｔｅ ｂｏｉｌｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ
１ 引 言 液氮 等低 温流 体被 广泛 用于 超导 体冷 却 、航空航
天 、低温 医疗 等领 域 ，其 中许 多方 面都 涉 及 到 低 温 流 体 的沸 腾换 热过 程 ，如低 温储 罐 及 管 道 的 冷却 、低 温 流体 的生产设 备 等 。沸腾 是复 杂 的换 热现 象 ，涉及 的
Ｗｕ Ｓｈｕｑｉｎ Ｌｉ Ｙｉｊｉａｎ Ｗｅｉ Ｊｉａｎｊｉａｎ Ｊｉｎ Ｔａｏ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ／Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｙ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｒ ｙｏｇｅｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
沸腾 模 拟 的可行 性 。依据 气相 分布 云 图讨论 了不 同过 热 度 工况下 沸腾发 生 过程 中气液相分 布 的 变化
情 况 ，并分析 了气相 的 生成和 上升过 程 。
关 键 词 ：液 氮 池 沸 腾 核 态 沸 腾 数 值 模 拟
中图分 类号 ：ＴＢ６１
文 献标识 码 ：Ａ
２０１８年 第 ５期 总第 ２２５期
低 温 工 程
ＣＲＹ０ＧＥＮＩＣＳ
Ｎｏ．５ ２０ｌ８ Ｓｕｍ ＮＯ．２２５
基 于 ＲＰＩ沸 腾 模 型 的 液 氮 池 内核 态 沸 腾 过 程 模 拟 与 分 析
吴 舒 琴 李 亦 健 魏健 健 金 滔
（浙 江 大学 制冷 与低 温 研 究 所／浙 江省 制 冷 与 低 温 技 术 重 点 实 验 室 杭 州 ３１００２７）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｎｕｃｌｅａｔｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｔｈｅ ＲＰＩ（Ｒｅｎｓ— ｓｅｌａｅｒ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ） ｂｏｉｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｂｏｉｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．
摘 要 ：为探 究液 氮的池 内核 态沸 腾 过程 ，使 用 ＲＰＩ（Ｒｅｎｓｓｅｌａｅｒ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）沸 腾模 型对
液 氮池 内核 态沸腾 阶段 不 同壁 面过 热度 下的沸腾 工 况进行 了数 值模 拟 。计 算得 到的 液 氮核 态沸腾 区
域 的 沸腾 曲线 与文 献 中的 实验 结 果相 吻合 ，验证 了 ＲＰＩ沸 腾模 型 和相 关沸腾 参 数 模 型 用 于液 氮核 池