氮浆池内换热特性数值模拟及实验研究

发布时间：2020-07-12 04:41

【摘要】：氮浆是一种固氮小颗粒悬浮于液氮中形成的液-固两相低温流体,具有密度高、热容大的特性。也因此,氮浆有望成为高温超导电缆等的冷却剂。目前氮浆相关的基础研究仍较少,为推动其实用化,需对其流动及换热性质进行深入研究。本文对氮浆的池沸腾换热特性进行数值模拟和实验研究,主要研究内容包括:1.在欧拉-欧拉模型的基础上建立氮浆的池沸腾换热数值模型。采用颗粒动力学模型描述颗粒间的碰撞以及颗粒和液相间的相互作用,使用RPI热流分配模型描述沸腾表面的换热机理。验证RPI模型和相关沸腾参数模型用于液氮和氮浆核态池沸腾模拟的可行性。基于建立的数值模型对三相点液氮和氮浆池沸腾时各相的行为特征及池内的流动状况进行分析。2.搭建氮浆的池内换热实验装置。使用冻结-融化法制备氮浆,通过电容式密度计测量氮浆内的固相颗粒含量,使用控制热流法获得稳态沸腾工况。通过实验对氮浆的池沸腾换热特性及相关影响因素进行分析。结果表明,氮浆的换热符合典型的核态沸腾换热特征。随着固相浓度的增大,氮浆在核态沸腾区的换热增强。此外,在氮浆的池沸腾实验中观察到明显的迟滞现象。3.建立了氮浆的核态池沸腾换热实验关联式。对Rohsenow式用于液氮和氮浆核态池沸腾换热计算的可靠性进行分析,在此基础上,考虑固相含量对换热的影响,建立适用于饱和液氮及氮浆核态池沸腾换热的关联式。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124
【图文】：

液体,换热表面,核态沸腾,类比模型

图 1.1 典型的沸腾曲线[40]态沸腾有以下几种热流转移方式[41,42]：1) 液体和换泡脱离壁面时，周围液体迅速补充到气泡原占据的换体和换热表面直接接触发生导热传热；2) 换热表面。对流换热过程贯穿在核态沸腾的整个阶段；3) 气一液体薄膜。气泡长大过程中，薄膜中的液体从换热沸腾的换热机理，学者们提出了许多换热机理模型，流类比模型、液体微层汽化模型等，也有将几种机理，学者们也对核态沸腾换热的预测提出了各种经验和和经验关联式的提出丰富了核态沸腾的理论，但它们特征，应用场合有限。

表面气泡,接触角

位论文存在不同于常规流体的特点。与水和制冷剂相比，液氮等低温流发潜热、导热系数、液气密度比等热物性上都存在较大的不同[献认为液氮的接触角为 0°[46]或 1°[47]，而常压下水的接触角为腾时气泡生长中非常重要的影响因素，如图 1.2 所示。很小的接换热表面，具体到对沸腾行为的影响上，则会表现出需要一个更态沸腾。这也使得低温流体池沸腾中更易观察到迟滞现象。

热流,分配模型,壁面

max ,maxs s，swU 为颗粒和壁面的相对滑移速度。和swe 分别为颗粒与壁面作用的镜面系数数，表征由于颗粒和壁面交互作用引起的能量耗散，根据不同的颗粒和壁面表面条在 0~1 之间[33]。本文的计算中， = 0.01， 0.95swe =[37]。3 RPI 热流分配模型氮浆核态沸腾时沸腾表面的换热机理尚不明确。数值计算时，我们将换热表面的简化处理，使用 RPI 热流分配模型计算沸腾表面液体和壁面之间的换热，该模ul 和 Podowski 提出[70]。如图 2.1 所示，其将壁面传递到液体的热流分为三个部分热热流(convective heat flux,Cq )，急冷换热热流(quenching heat flux,Qq )和蒸发(evaporative heat flux,Eq )：W C Q Eq = q + q +q

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