微重力过冷核态池内沸腾气泡动力学与传热行为数值模拟研究

发布时间：2020-09-16 14:31

【摘要】：随着科学技术的快速发展,各种高科技领域的设备逐渐向高功率、集成化、微型化发展,因此对高热流密度散热提出更加严格的要求。核态沸腾具有在较小的过热度下可实现高功率散热的特点,被认为是最有前景的一种散热方式。由于沸腾过程中,气泡生长伴随着复杂的质量、动量、能量传输以及界面相互作用,因此沸腾换热的研究具有一定的难度。例如在地面常重力环境中,气液两相密度差异和重力引起的浮力对流效应被认为是控制气泡动力学和传热的主要机理。在此过程中,其他效应如惯性力、表面张力等由于远小于浮力,常常被忽略。这就导致对沸腾换热的机理的理解还只是片面的,不具有普遍性。微重力环境可削弱重力引起的浮力对流效应,能揭示气泡动力学特征,为研究沸腾换热机理提供了一种可靠的途径。鉴于目前地面上进行短时微重力实验时微重力水平不高,且不能满足长时间的实验需求,同时开展空间微重力实验的消费太高且实验机会较少,并且需要长达数年的科学论证,因此难于开展大量的沸腾实验。相对而言,数值模拟方法作为一种低成本高效率的工具,对揭示沸腾传热机理具有重要的意义。为此,本文基于相场法,利用相场函数来描述过冷核态池沸腾过程中气液两相自由界面演化过程,考虑加热面上的过热液体层和温度梯度驱动的Marangoni对流影响,重点对微重力环境下气泡在加热面上的生长、脱附与否的动态行为及传热性质进行研究,探索微重力环境下沸腾换热的机理。本论文得到如下主要结论:论文的第一部分,基于标准的动量传输方程、连续性方程以及对流换热方程,建立单个气泡的2D轴对称生长模型。其中动量传输方程耦合表面张力和Marangoni力,连续性方程和对流换热方程耦合相变效应,考虑加热面上存在过热液体层的影响,在模型中引入相场函数捕捉气液界面的动态变化,通过方程间的耦合求解得出气泡在过冷沸腾过程中的基本变化规律。随后采用不同数量的网格进行网格无关性分析,并且分析相场法在应用到气液等大密度比情况下的相泄露情况。本数学模型不仅从定性的角度,还从定量的角度重复文献中微重力物理实验的结果,即当过冷度增加到一定程度时,气泡将粘附在加热面上并保持恒定的尺寸不变,验证本数学模型和数值模拟方法在模拟计算微重力下过冷核态池内沸腾过程中的适用性和正确性。论文的第二部分,基于上述数学模型以及相应的数值方法,对微重力过冷核态池内沸腾过程中的2D轴对称单个气泡动力学以及传热进行分析和计算。分别研究有效重力、壁面接触角和加热面过热度三个因素对可脱附气泡以及不可脱附气泡的动力学影响,建立气泡生长曲线,提出临界过冷度的概念(在某一过冷度条件下,气泡的蒸发速率等于其冷凝速率),并分析传热特性。结果表明随着有效重力的增加,生长时间和脱附半径均减小,但临界过冷度增大;气-液-固三相接触线处的接触角越大,气泡的脱附半径越大,但相应的临界过冷度越小;随着壁面过热度的增加,气泡生长时间迅速减小,但脱附半径和临界过冷度都相应的增大。可脱附的气泡由于脱附过程中伴随着“重润湿”和尾流效应,具有较高的传热效率;相反不可脱附的气泡将一直粘附在加热面上,并在该位置处形成“干斑”,阻碍热量的传递,传热效率较低。论文的第三部分,基于第一部分建立的数学模型及数值方法,考虑到在沸腾过程中气泡在加热面上自由迁移的动态行为,建立2D单个气泡的模型。同样考虑过热液体层和温度梯度驱动的Marangoni对流,分析微重力条件下过冷核态池内沸腾中气泡迁移、气泡动力学、流场和温度场、以及传热的变化。结果表明,气泡生长过程中,气泡形状从最初的半球形变成椭球形,最后变成脱附时的梨形。在2D单个模型中,由于无轴对称边界条件限制,液体流动的作用使气泡可以在加热面上自由迁移,并且呈非对称结构。气泡的脱附直径正比于g~(-0.488),脱附周期正比于g~(-1.113),加热面上平均热通量正比于g~(0.229)。本文通过数值模拟方法,考虑过热液体层和温度梯度驱动的Marangoni对流,初步研究微重力下过冷核态池内沸腾气泡动力学和传热行为,为相关的空间科学实验研究提供了参考。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124
【图文】：

沸腾还可以分为饱和沸腾和过冷沸腾（又称欠热沸腾）两类，体工质温度等于或者略高于系统压力下对应的饱和温度，加热面在浮力作用下穿过液体，并从自由表面逸出（常重力条件），或在并形成大气团（微重力条件）；而过冷沸腾中液体工质温度低于系的饱和温度，加热面上生成的气泡可以在接触过冷液体时凝结，气泡，形成微气泡发射沸腾现象（Microbubble Emission Boiling内沸腾模式与传热曲线究池内沸腾的不同模式以及对应的传热曲线特征，可以了解支配中的基本物理机制。图 1.1 中给出了常压条件下饱和水的沸腾曲沸腾模式。按照加热面过热度或热流密度的不同，整个沸腾曲线几个不同模式[26]：

气泡合并两个或者两个以上的气泡在生长过程中，不断接近时将会发生气95 年 Oka 等[32]研究在抛物线飞行中正戊烷、CFC-113 以及水在透池沸腾问题，在抛物线飞行过程中，重力水平达到 0.02z eg g ≈ ， 5s，发现在微重力下正戊烷和 CFC-113 中的气泡通过在加热面上，但是水中的气泡合并是通过加热面上稍大的气泡吸引加热面刚泡，即竖直方向上的合并。他们认为这是由于水和其他两种液体合并行为来源于表面张力和润湿性的差异。同时在落塔实验中，在 CFC-113 沸腾合并过程中出现“液岛”的结构，这是由于气泡在过程中，在气泡接触前沿上加热面上还存在着少部分液体，当合存的液体成为“液岛”，见图 1.2，在壁面温度较高的情况下，“液岛可能形成“双层气泡”结构。

文理最早由 Han 和 Griffith[45]提出，即气泡脱离后处占据的较热空间，使得加热面瞬间被冷却，kic 和 Rohsenhow[46]进一步发展和验证上述模型设气泡脱附后将其周围两倍直径范围内的过热与加热面接触，在生长过程中，没有发生壁面在等待时间期间内，即气泡脱附后到新的气化热过程中。因此气泡脱附后的瞬态导热被认为是

【参考文献】

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本文编号：2819970