气泡微细化沸腾现象及其形成机制研究

发布时间：2020-04-07 09:13

【摘要】：气泡微细化沸腾(MEB,Microbubble Emission Boiling)是一种具有超高强度换热性能的特殊沸腾现象,在高速电子芯片、大功率半导体芯片以及反应堆等诸多装置和设备的冷却方面都有极好的应用前景。目前MEB现象相关研究尚处于开始阶段,其影响因素等方面的研究还不完善,MEB形成机理并不清楚,因此,本文主要对MEB发生时的气泡动力学行为、声学特性、换热特性,以及凝结作用和Marangoni效应等在MEB形成过程中的作用等进行了详细的研究。首先,在解决高热流条件下的密封、绝缘等关键问题基础上,设计并搭建了能够稳定、可重复实现MEB现象的可视化实验系统。加热面直径为10 mm,MEB实验在常压下进行,工质为蒸馏水,过冷度为0-60 K。实验中观察到了典型的MEB现象:当过冷度超过20 K、热流密度到达CHF以后,壁温短暂跃升(约2-5 s),随后MEB现象发生,此时不同于一般沸腾状态,加热面上形成的气泡不会脱离壁面,而是经历快速的局部破碎或者顶部破碎过程,同时伴有微气泡喷射现象及强烈的沸腾噪声,热流密度最高可达7 MW/m2以上;气泡破碎频率的平均值随热流密度升高而升高,通常可达100 Hz以上,远高于核态沸腾时的情况;MEB时加热面上气膜各尺寸平均值受过冷度和热流密度影响相对较小,而半径变化率最大值随过热度升高而升高,甚至可达2.5 m/s;MEB区域的声信号波动剧烈且能量峰值所对应的频段与气泡破碎频率的峰值接近,在时频谱中不同频段的能量峰值交替产生,说明MEB时存在多种气泡破碎过程,而通过声信号偏差及离散小波变换可有效区分自然对流、核态沸腾、膜态沸腾以及MEB等不同的沸腾模式;综合MEB时气泡破碎与换热的关系以及凝结作用和Marangoni效应,给出了 MEB时无量纲换热关联式。为阐明气液界面凝结作用在MEB形成过程中所起作用,设计并搭建了一套用于研究气泡凝结破碎过程的可视化实验系统。实验中发现,当过冷度超过20 K、蒸汽流量超过0.74m3/h时,气泡凝结过程会出现与MEB时类似的气泡破碎和微气泡喷射现象。气泡破碎前,其表面通常会形成波数相对较高的毛细波,而微气泡的尺寸和数目与毛细波的波数有关;基于球面线性不稳定性分析进一步发现,较高过冷度下,剧烈的凝结传质过程会触发Landau-Darrieus 不稳定性导致气泡表面毛细波形成,气泡凝结过程被强化,进而触发Birkhoff不稳定性,气泡最终破碎成大量微气泡;此外,低过冷度下Landau-Darrieus不稳定性在任何表面波数下均不会触发,因此气液界面无毛细波形成,无气泡破碎现象发生,这在一定程度上揭示了 MEB现象仅在较高过冷度下发生的原因。最后,利用流体计算软件FLUENT分析了破碎前气泡周围的微对流过程,以研究Marangoni对流在MEB形成过程中的作用。对于水工质,在较高过冷度下,由于气泡边缘区域存在较强的Marangoni对流过程,导致气液界面的不稳定性加剧,气泡边缘更易发生局部破碎,与实验结果一致;对于酒精工质,在较高过冷度下,即使凝结作用较强,但由于气泡周围Marangoni对流过程较弱,其产生的最大速度仅为水工质时的1/3左右,此时无法形成MEB现象。因此,除气液界面凝结作用外,Marangoni对流极有可能是导致气泡破碎的另外一个重要原因。
【图文】：

面过热度下，而Ｓ－ＭＥＢ邋ＩＩ发生在较高壁面过热度下且此时压力波动周期低于Ｓ－ＭＥＢ邋Ｉ逡逑时。Ｋｕｍａｇａｉ等［２６］给出的水平和竖直放置加热面时过冷度和过冷水流速对ＭＥＢ分区影逡逑响如图１．２所示。较高过冷度下，在两种加热面时主要发生的均是Ｓ－ＭＥＢ邋Ｉ。相比于水逡逑平加热面时，加热面竖直放置对ＭＥＢ分区有下述影响：（１）相同流速下，Ｓ－ＭＥＢＩ在逡逑更低的过冷度下发生，（２）相同过冷度下，，Ｓ－ＭＨＢＩ在更低的流速下发生，（３）水平时逡逑无ＭＥＢ发生的工况下可能发生Ｃ－ＭＥＢ现象。逡逑１００邋￣￣￣￣￣Ｉ￣￣￣■￣Ｉ邋■逦！逦■邋Ｉ邋■邋１逦１００逦■逦１逦逦逦１逦逦逦１逦．逦逡逑■逦Ｉ邋■邋Ｎｏ邋ＭＥＢ￣￣逦逦逡逑v|邋翁邋Ｓ－ＭＥＢＩ逦■邋ＮｏＭＥＢ逡逑８０邋■逦翁邋？逦▲邋Ｓ－ＭＥＢＩＩ邋■逦８０邋－邋？逦Ｓ－ＭＥＢＩ逡逑Ｔ邋ＴｗｏＳ－ＭＥｂＩ逦＊逦＊邋Ｓ－ＭＥＢＩＩ逡逑v|t\0逦

本文编号：2617723