豎直通道內(nèi)液氮流動沸騰的雙流體模型及沸騰兩相流不穩(wěn)定性研究.pdf

1、雖然關(guān)于低溫液體流動沸騰傳熱的研究已有半個多世紀(jì)的歷史，在過去的十幾年中，人們往往傾向于描述一維飽和流動沸騰通道內(nèi)的綜合傳熱傳質(zhì)特征，很少有研究者關(guān)注低溫液體在過冷階段的沸騰現(xiàn)象?？梢哉f，低溫液體的過冷流動沸騰是目前被忽略的一個研究領(lǐng)域。事實上，過冷流動沸騰在低溫領(lǐng)域內(nèi)是廣泛存在的，如帶有制冷設(shè)備的電子元件冷卻系統(tǒng)等，沸騰通道內(nèi)往往同時存在過冷沸騰及飽和沸騰兩種沸騰模式，過冷沸騰階段的傳熱情況對于低溫?fù)Q熱系統(tǒng)的性能也具有十分顯著的影響。

2、因此，對于低溫液體過冷流動沸騰的研究同樣重要，應(yīng)當(dāng)引起人們的足夠重視。本文針對這一盲區(qū)開展工作，將垂直通道內(nèi)液氮的過冷流動沸騰過程作為本文的主要研究對象，目標(biāo)是要建立一套能夠準(zhǔn)確描述該過程中各種傳輸現(xiàn)象的理論模型，并采用該模型實現(xiàn)對這一過程的準(zhǔn)確預(yù)測。為了建立液氮過冷流動沸騰的雙流體模型，本文從以下幾個方面開展工作，并取得了一定的成果： ⑴對雙流體模型的基本理論進(jìn)行介紹，并采用對比計算的方法對兩相流場內(nèi)的相間傳輸模型(包括相間動

3、量傳輸模型、汽泡尺寸分布函數(shù)以及液相湍流模型等)進(jìn)行了敏感性分析。分析過程中結(jié)合實驗數(shù)據(jù)逐個考察各參數(shù)或模型對最終預(yù)測結(jié)果的影響，找出了適合本文問題描述的封閉方程。 ⑵采用高速攝像技術(shù)對垂直環(huán)形通道內(nèi)液氮汽泡的形成及脫離過程進(jìn)行記錄和分析，建立了汽泡脫離頻率及脫離直徑的計算公式，并結(jié)合有關(guān)研究成果建立了液氮核態(tài)沸騰壁面的傳熱機理模型。最終結(jié)合第一部分的工作建立了液氮過冷流動沸騰的雙流體模型。 ⑶建立了與環(huán)境絕熱良好、儀器

4、測量準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)重復(fù)性好的液氮流動沸騰實驗臺，并在0.09～1.50MPa壓力(表壓)下進(jìn)行了實驗研究。實驗的操作參數(shù)(如進(jìn)出口壓力、入口過冷度、介質(zhì)流量及壁面熱通量等)作為后繼數(shù)值計算的邊界條件，其余參數(shù)(如壁面溫度、流動壓降等)作為模型預(yù)測能力的驗證參數(shù)。 ⑷對影響雙流體模型預(yù)測能力的有關(guān)因素進(jìn)行了分析，找出了對模型預(yù)測精度具有重要影響的幾個關(guān)鍵因素：汽泡直徑的模擬在一定范圍內(nèi)對壁面溫度的預(yù)測沒有明顯影響，但該參數(shù)的模擬對于兩

5、相流局部特征的描述具有重要意義；活化核心密度的合理描述是雙流體模型預(yù)測壁面溫度最關(guān)鍵的因素；汽泡引起的附加湍流粘度是液相有效粘度的主要組成部分，對于兩相流壓降的預(yù)測至關(guān)重要；壁面潤濕力系數(shù)及汽泡直徑分布函數(shù)的選取直接決定了壓降型流動沸騰不穩(wěn)定性的預(yù)測能力。 ⑸綜合分析的結(jié)果表明，本文建立的雙流體模型對于本文實驗中的壁面溫度及流動壓降的預(yù)測精度優(yōu)于±5％，對文獻(xiàn)中的實驗數(shù)據(jù)也具有很好的預(yù)測能力。雖然該模型針對液氮的過冷流動沸騰建立

6、，但對于泡狀流條件下的液氮飽和流動沸騰同樣適用。 ⑹同時對垂直通道內(nèi)的液氮飽和流動沸騰進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)了流量型流動沸騰不穩(wěn)定性現(xiàn)象，其基本規(guī)律是：在供液壓力及閥門開度一定的情況下，通道內(nèi)的介質(zhì)流量會隨著加熱功率的增大而減小，反之亦然；若供液壓力過低，甚至還可能會出現(xiàn)氣堵。流量型流動沸騰不穩(wěn)定性可能會對于低溫?fù)Q熱系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性危害，因此必須掌握其變化規(guī)律及影響因素。本文在0.18～1.46MPa壓力(表壓)下對這一不穩(wěn)定性現(xiàn)象

7、進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明：系統(tǒng)壓力對于流量型流動沸騰不穩(wěn)定性的影響十分顯著，隨著壓力升高，這一不穩(wěn)定現(xiàn)象逐漸減弱；并且，流動的波動及變化特征也與壓力有明顯關(guān)系。研究還表明，不同系統(tǒng)壓力下的介質(zhì)流量隨熱通量沿不同的曲線變化。在本文研究的范圍內(nèi)，0.58MPa下的介質(zhì)流量與熱通量呈線性關(guān)系，當(dāng)壓力高于0.58MPa時，流量-熱通量曲線位于該直線上方；反之則位于直線下方。本文還對目前常用的低溫液體飽和流動沸騰傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了驗證，在本文