膜态沸腾及多孔介质蒸腾模拟研究

发布时间：2020-04-03 12:18

【摘要】：沸腾换热研究是传热学的重要组成部分,对热工学的理论拓展及应用研究有重要意义。与对流换热相比,在同等流量条件下,沸腾传热通过相变气化潜热带走更多热量,增强了换热能力。同时,在气液两相沸腾传热过程中,汽化产生的气泡运动过程中对周围液体进行剧烈扰动,从而进一步增强了其热质交换能力。本文采用CFD软件作为技术手段,对膜态沸腾中的单气泡演化及多孔介质蒸腾问题进行了模拟研究,深入理解膜态沸腾及多孔介质沸腾换热的机理,以期指导相关的工程应用。论文首先概括介绍了气液两相流中的气泡动力学研究以及多孔介质光热转化材料的研究进展。对现有的多相流研究方法进行了简要综述,同时对沸腾传热的数值模拟理论以及相关模拟软件进行介绍。在对文献调研及熟悉软件的基础上,根据前人的实验研究结果,通过CFD软件对所构建的模型进行数值模拟计算。首先,通过构建UDF函数以满足实际条件下的膜态沸腾气泡生成情况,气泡由底层气体界面演化,而非采用初始化气泡方式生成。在该UDF条件下采用VOF模型于微观层面对模型的气化成核与单气泡演化进行了模拟研究;其次,选取模型中的主要物性参数进行对照试验,研究不同参数与单气泡演化之间的影响关系;最后,利用沸腾换热原理,在宏观层面上对多孔介质蒸腾现象进行模拟研究,并根据实际情况增加辐射模型条件,对多孔介质池沸腾模型在太阳辐射条件下进行研究。其中本文主要研究结果如下:1.在对模型中的单气泡演化模拟研究发现,膜态沸腾过程中气泡成核主要包含膨胀及拉伸两个阶段。在气泡上升过程中,气泡附近流体形成涡流,增强热质交换能力。2.在对单气泡气泡动力学影响因素研究中发现,液体表面张力及液体黏度增加,会延长气泡脱离时间,且气泡直径增加;液体密度及初始温度梯度增加,气泡脱离时间变短且形态无明显变化。3.根据沸腾换热理论,结合上述膜态沸腾研究结果,宏观研究了多孔介质加速蒸发现象。结果表明,对于顶层加热的含有多孔介质材料的池沸腾模型,存在液相区、两相区、蒸汽区三个区域,蒸汽集中于加热面与多孔介质之间,温度越高,蒸汽区向多孔介质材料内侵蚀,影响蒸汽产生效率。4.在一定强度太阳辐射热源条件下,含有多孔介质的池沸腾模型因辐射耗散现象,在相同时间内蒸发量略微减少,其余参数变化与定常热流加热条件下一致。本文研究模型均依托于膜态沸腾换热理论,由微观到宏观,由单气泡演化到相场分布的顺序进行模拟研究,对于深入理解模态沸腾及多孔介质沸腾换热机理,强化换热的方法优化具有重要意义。
【图文】：

气泡,互作用力,液体相,单孔

图 1.1 单孔气泡的形成过程与影响因素气泡上升过程中的形状主要与气泡周围的液体相互作用力有关，，在运动过，因为相互作用力的关系发生变形。气泡受力主要包含液体的浮力、表面张力场的作用力等，同时变形的程度也与气泡大小及物性参数有关。Clift[20]等人

气泡,形状

气泡在不同流体区域的形状
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

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