窄缝通道过冷沸腾流动换热与壁面核化特性实验研究

发布时间：2017-11-03 11:03

  本文关键词：窄缝通道过冷沸腾流动换热与壁面核化特性实验研究

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【摘要】：窄缝通道内过冷流动沸腾的现象普遍存在于工程中的许多领域,比如核反应堆的板状燃料组件,高性能板式换热器、微机电系统的冷却系统等。窄缝通道内的流动过冷沸腾和常规流道内的现象有所不同,受限空间的影响使得窄缝通道内流动换热特性更为复杂,针对窄缝通道内的流动换热以及壁面核化特性的研究具有重要的学术意义和工程应用价值。本文以去离子水为工质,开展了常压下窄缝通道内流动过冷沸腾现象的可视化实验研究。研究工况范围：窄缝宽度1～4mm,质量流速90-560 kg/m2s,流体入口过冷度6-35℃,壁面加热热流密度2-20 W/cm2,壁面过热度小于10℃。进行了不同参数对窄缝通道流动换热特性以及壁面核化特性的影响研究。研究发现窄缝通道内过冷沸腾流动换热特性与壁面核化特性密切相关,窄缝通道内的沿程换热系数随热流密度的增大而增大,随入口水温的增大而增大,受质量流速和窄缝宽度的影响并不单一。在同一工况下局部区域瞬时气泡总数呈现周期性变化,频率与平均气泡脱离频率相同。壁面气泡的典型演化过程可以分成气泡生长,壁面滑移,浮升湮灭三个阶段,在演化周期中气泡可能会发生合并、缩胀、变形等现象。周期性的压降震荡与气泡演化的周期性有关。对不同区域汽化核心点的统计验证了精磨过的铜加热表面汽化核心分布的均匀性,发现汽化核心密度随着热流密度的增大而增大,且原有的汽化核心绝大部分会在热流密度增大后保持活性,而少量已有的汽化核心会因为流动换热情况的改变而失去活性,壁面过热度和窄缝宽度对汽化核心密度的影响明显。实验发现汽化核心点产生气泡的频率呈正态分布,气泡脱离频率随壁面过热度的增大而增大,随窄缝宽度的减小而增大,与质量流速、主流过冷度无关。宏观瞬时气泡总数的周期与微观气泡脱离频率以及气泡在壁面上的滑移时间有关。气泡脱离直径和气泡浮升直径接近正态分布，同一气泡的脱离直径和浮升直径之间存在比例关系。气泡浮升直径随壁面过热度的增大而增大,随主流过冷度的增大而减小,随质量流速的增大而减小,随窄缝宽度的增大而增大。参照文献已有公式并依据实验数据整理了汽化核心密度、气泡脱离频率、气泡浮升直径的关联式,新的关联式考虑了窄缝受限的影响与实验数据吻合度较好。
【关键词】：窄缝通道 过冷沸腾 流动换热 核化特性
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 主要符号对照表11-13
• 1 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 通道尺寸的划分15
• 1.2.2 流动换热特性研究15-16
• 1.2.3 壁面核化特性研究16-21
• 1.2.4 研究现状小结21
• 1.3 主要研究内容21-23
• 2 实验系统与实验方法23-39
• 2.1 实验系统23-25
• 2.2 实验段25-27
• 2.3 实验方法27-28
• 2.4 实验数据测量28-30
• 2.4.1 温度测量28-29
• 2.4.2 压力测量29-30
• 2.4.3 流量测量30
• 2.5 换热系数计算30-31
• 2.6 可视化数据处理31-35
• 2.6.1 沸腾起始点31-32
• 2.6.2 汽化核心密度32-33
• 2.6.3 气泡脱离频率33-34
• 2.6.4 气泡脱离直径与浮升直径34-35
• 2.7 误差分析35-37
• 2.8 实验工况37-39
• 3 流动换热特性39-53
• 3.1 窄缝通道整体换热特性39-41
• 3.2 过冷沸腾的流动特征41-44
• 3.3 过冷沸腾泡状流区典型气泡的演化过程44-48
• 3.4 过冷沸腾局部流动换热特性48-52
• 3.5 本章小结52-53
• 4 汽化核心密度53-63
• 4.1 汽化核心点的均匀性验证53-56
• 4.2 汽化核心密度的影响参数分析56-58
• 4.3 汽化核心密度关联式的拟合58-61
• 4.4 本章小结61-63
• 5 气泡脱离频率63-75
• 5.1 单个汽化核心点的气泡脱离频率63-66
• 5.2 平均气泡脱离频率66
• 5.3 平均气泡脱离频率的影响因素66-68
• 5.4 气泡脱离频率关联式的拟合68-71
• 5.5 局部区域气泡数量的周期性71-74
• 5.6 本章小结74-75
• 6 气泡脱离直径与气泡浮升直径75-87
• 6.1 单个汽化核心点的气泡直径变化情况75-79
• 6.2 平均气泡浮升直径的影响因素79-81
• 6.3 平均气泡浮升直径的关联式拟合81-85
• 6.4 本章小结85-87
• 7 结论87-89
• 参考文献89-93
• 作者简历93-97
• 学位论文数据集97

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