池式沸腾与竖直窄流道内流动沸腾中单个气泡成长的机理研究

池式沸腾与竖直窄流道内流动沸腾中单个气泡成长的机理研究沸腾现象是指液体内部产生气相并由液态转化为气态的一种剧烈的汽化过程。按照液体的流动状态可将沸腾分为池式沸腾和流动沸腾,无论在哪种沸腾中,气泡的产生及行为可能会提高壁面与流体的换热效果,也可能在加热表面形成气膜,导致壁面烧毁,因此对气泡的研究十分必要。本文针对气泡问题进行了以下工作:首先使用ANSYS Fluent中的流体体积法(Volume of Fraction,VOF)在二维条件下对文献中饱和池式沸腾条件下和过冷池式沸腾条件下的单个气泡成长进行了数值模拟计算,采用用户自定义函数(User Define Functions,UDF)实现气液两相的相互转化,依据实验结果在近壁面网格中添加额外蒸汽质量源模拟气泡底部液体微层蒸发。

然后搭建了研究单气泡成长的池式沸腾实验台架,实验中使用高速摄影仪拍摄常压下低过冷度水中单个气泡的成长与冷凝过程,使用热电偶记录成核点底部壁面温度。以气泡冷凝过程的数据为基础推导出球帽对流换热公式,根据球帽热流换热公式计算出气泡成长过程中热流的变化,再以得到的热流为数值模拟提供条件,模拟了两个算例中气泡的成长和冷凝过程。最后搭建了流动沸腾实验台架,在间隙宽度分别为1.80mm和2.80mm的竖直矩形流道内进行实验。

实验中使用高速摄影仪拍摄了不同算例下泡核沸腾起始点(Onset of Nucleate Boiling,ONB)处单个气泡的成长过程,研究了各个因素对气泡成长和ONB点壁面过热度的的影响,并从两个流道中各选择一例典型的气泡成长过程进行数值模拟。在数值模拟中获得了气泡形态和尺寸随时间的变化,同时还获得气泡的温度场,速度场以及球帽热流等物理参数。并以经典对流换热公式为基础对实验数据进行分析,计算出球帽热流,微层热流和总热流在气泡成长过程中随时

间的变化。

在池式沸腾实验中通过数值模拟发现微层蒸发对总蒸发量的贡献显著。还使用球帽对流换热公式推导出气泡冷凝过程中气泡归一化直径随Fo数的变化趋势。在流动沸腾实验中,发现加热功率,质量流速和进口流体温度对气泡的成长均有

一定影响,流道高度对单个气泡的尺寸无明显影响,但会影响气泡的脱离。

并依据测得的壁面温度确定ONB点位置及壁面过热度,发现ONB点壁面过热度与热流密度,质量流速和进口流体温度密切相关,流道高度对ONB点壁面过热

度与热流密度的关系无明显影响。