饱和液氮爆发沸腾实验与理论研究

摘要

本课题旨在通过新的研究方法和手段从新的视角揭示液氮乃至低温液体工质在瞬态高热流冲击下所表现出的超常沸腾行为、影响规律、以及传热过程特性，填补国内在该领域研究的空白，同时为实际应用提供重要技术指导,通过转变时间这一特征参量能够对两种沸腾形态进行划分。实验发现爆发沸腾发生时的加热温升速率阈值为107K/s量级，并对爆发沸腾的评价体系以及转变时间的意义进行了分析。　 针对爆发沸腾的重要形态特征——汽泡群，开展了原创性的理论研究。创造性地将激光加热开始1微秒以内的时间段定义为饱和液氮爆发沸腾初始期，其后的爆发沸腾过程为旺盛期。初始期的特点是汽泡群中大量微小汽泡均匀分布在狭窄空间中，汽泡之间不发生相互合并，与液相工质之间没有相对运动，汽液界面上存在强烈的质量与能量交换。旺盛期的汽泡群行为特点更为复杂，内部存在多种不稳定因素和随机过程。　 根据初始期爆发沸腾的特点并结合两相流研究的“赝流体”思想，建立了相应的动力学模型，用于描述爆发沸腾初始期的一般行为规律。数值计算出该时期内的温度、密度、速度以及压力场的分布情况和演变规律。通过定性分析以及相关研究成果的验证，进一步加深了对爆发沸腾过程中复杂传热现象本质的认识。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2爆发沸腾的概念

1.3爆发沸腾研究的学术意义

1.4本文的主要研究内容

第二章文献综述

2.1爆发沸腾实验研究

2.1.1爆发沸腾实现技术与手段

2.1.2爆发沸腾实验观测

2.2爆发沸腾理论研究

2.2.1液体工质的极限过热度

2.2.2形核机制及其影响因素、均相形核率

2.2.3汽泡动力学方程及相间传质过程

2.3分子动力学模拟

2.4现有爆发沸腾研究的不足之处

2.5本章小节

第三章实验系统与原理

3.1实验系统设计基本思想

3.2实验设备的选择与研制

3.3实验操作过程及注意事项

3.4本章小结

第四章实验结果与分析

4.1典型饱和液氮爆发沸腾实验结果

4.2瞬态高热流作用下饱和液氮沸腾过程分析

4.3饱和液氮爆发沸腾基本特点

4.4饱和液氮爆发沸腾与过冷爆发沸腾的比较

4.5饱和液氮爆发沸腾的相关影响因素研究

4.5.1不同加热条件对饱和液氮爆发沸腾的影响

4.5.2加热试件表面状况的影响

4.6本章小节

第五章饱和液氮爆发沸腾理论研究

5.1爆发沸腾理论研究基础

5.2饱和液氮爆发沸腾初始期动力学研究

5.3饱和液氮爆发沸腾旺盛期传热机制研究

5.3.1旺盛期的泡泡群行为特点

5.3.2汽泡群中的不稳定因素

5.3.3传统沸腾传热机理研究

5.3.4汽泡群传热机理分析

5.3.5爆发沸腾旺盛期的传热模型

5.3.6模型求解与结果分析

5.4本章小节

第六章全文总结与研究展望

6.1研究成果总结

6.2进一步研究展望

参考文献

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致谢