高热流密度下过冷流动沸腾传热及其应用研究

发布时间：2020-04-11 10:04

【摘要】：过冷流动沸腾是指主流液体温度低于饱和温度,加热壁面周围液体已达到饱和温度,加热表面虽有气体产生,但随即凝结在过冷液体中的沸腾流动传热现象。在航空、航天和核动力等高科技领域中,管内高热流密度下过冷流动沸腾传热的应用十分广泛。在工程应用中,多数窄缝流道换热设备的冷却介质大都会处于过冷状态,由于高热流密度的影响,过冷流动沸腾传热在整个设备的换热中起着非常重要的作用。因此,研究管内过冷流动沸腾传热是非常必要的。本文围绕管内过冷流动沸腾传热问题开展了一系列研究,主要工作和成果如下:(1)研究管内过冷流动沸腾两相流特征点,包括过冷沸腾起始点、过冷沸腾有效空泡起始点、临界热流密度等。建立过冷流动沸腾特征点的实验数据库;收集过冷沸腾起始点、过冷沸腾有效空泡起始点及临界热流密度等的计算模型与经验关联式,分析流动参数及有关无量纲参数对特征点的影响。根据数据库实验数据分析比较发现:沸腾起始点模型中Sato Matsumura模型的预测效果最好;有效空泡起始点模型中Dix模型表现较好;临界热流密度模型中适用性最好的关系式是Hall Mudawar模型。此外,对质量流速、压力、过冷度、截面尺度等参数、以及有关无量纲参数对特征点的影响进行了分析。通过对过冷流动沸腾两相流特征点的研究,深入了解和掌握过冷流动沸腾传热过程,且在过冷流动沸腾传热的工程应用中应该促使过冷沸腾起始点与过冷有效空泡起始点的发生而避免临界热流密度的发生。(2)本文详细的回顾了26个过冷流动沸腾传热计算模型,建立管内过冷流动沸腾传热与流动特性的实验数据库。利用数据库内实验点对26个过冷流动沸腾计算模型的预测值与实验值进行误差分析,其中误差最小的是Baburajan模型,其平均绝对误差是21.8%。分析发现过冷流动沸腾传热系数与流速/质量流量,压力及过余温度均呈递增关系,且在不同的实验条件下表现较好的模型也不同。本文深入对过冷流动沸腾进行了机理研究,根据数据库内的实验数据,通过对多个无量纲数分析,利用最小二乘法,拟合出新的过冷流动沸腾传热系数关联式,其平均绝对误差值为11.5%,平均相对误差值为0.97%。通过对过冷流动沸腾传热计算模型的研究,使过冷流动沸腾传热过程更加清晰,计算模型更加精确。(3)管内过冷流动沸腾换热的数值模拟研究。建立合理的物理模型,采用FLUENT中的RPI模型的计算方法,壁面RPI模型以热量平衡为校验基础,通过计算气泡参量,循环迭代壁面温度,求得壁面气液相变量,从而精确描述了过冷流动沸腾现象。用实验结果与计算结果进行对比验证,并与过冷沸腾特征点计算模型和新关联式对比,分析过冷流动沸腾的流动与传热特性,为过冷流动沸腾传热的研究和应用提供参考。(4)基于已验证的管内过冷流动沸腾数值计算模型,对偏滤器水冷系统的过冷流动沸腾研究。提出偏滤器水冷系统的数值模拟方法,得到偏滤器水冷结构固体材料的温度分布及冷却管道内的流场与温度场分布;研究进口流速、进口温度及加热壁面热流密度等因素对偏滤器水冷系统的影响;对偏滤器水冷系统的冷却管外形提出改进设计,为偏滤器的应用提供有益参考。
【图文】：

曲线,大气压,曲线,热流密度

图 1.1 水的沸腾曲线（大气压）无论是池沸腾还是流动沸腾，，热流密度 q、传热系数（Tw是壁面温度，Ts是液体饱和温度）之间存在某种关系，前人通过实验证明过，沸腾热流密度 q 随壁面Nukiyama[1]在比较系统和全面的实验基础上得到了 q－

流动机理,管内流动,过冷流动沸腾,加热表面

图 1.2 管内流动沸腾的流动机理度下的过冷流动沸腾传热液温低于饱和温度，加热表面虽有气体产生，但随即管内高热流密度下的过冷流动沸腾如图 1.3 所示，单
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

【参考文献】