摇摆作用下矩形流道内单相流动换热与过冷流动沸腾数值模拟

摘要

沸腾现象广泛存在于动力、冶金、化工、机械、航空航天、核能等工业技术领域中，对人们日常生活产生重大影响。多年来，人们努力研究沸腾换热物理机理，有关沸腾换热的实验技术和计算机模拟技术不断发展，但由于其复杂性和多变性，至今未能获得广泛公认和普遍接受的机理认识和理论。近年来在沸腾再认识大潮流下，沸腾现象研究朝向更加深入、细致的方向发展，诸如微重力、微纳尺度以及附加外力作用下等。摇摆运动作为一种典型附加外力作用下的运动，会使动力装置产生附加加速度，附加惯性力的存在会使工质流动产生周期性波动，从而影响系统换热和流动稳定性，破坏系统的稳定运行。本课题以水为工质，采用计算流体力学软件Fluent6.3，编写用户自定义函数(UserDefinedFunction，UDF)，将摇摆及相变产生的质量、动量和能量输运添加到控制方程源项中，对摇摆作用下竖直矩形流道内单相流动换热以及过冷流动沸腾核化相变过程进行了数值模拟，数值计算结果采用Tecplot360进行后处理。
　　研究结果表明，通过向动量方程添加源项的方法可以实现摇摆附加惯性力的影响。在摇摆作用下，出口流量、压降、加热壁面温度、流体温度以及努谢尔数都随时间发生周期性波动，波动周期与摇摆周期一致。流量和温度波动的极值都出现在系统从最大摇摆角度向平衡位置运动过程中，且摇摆、流量和温度波动三者之间存在相位差，这与已发表文献结论相吻合。摇摆周期减小和最大摇摆角度增加都会导致各个参数波动幅度增加。若将系统关于摇摆轴心对称布置，则可以降低摇摆造成的参数波动。
　　过冷流动沸腾时，汽泡在表面张力作用下，其内外压差满足Young-Laplace方程。在垂直于主流流动方向的截面内，存在二次流动现象。在单相区二次流动主要是由加热壁面附近的自然对流产生。而在孤立汽泡区二次流动主要是由蒸发和冷凝的交互作用产生，这种二次流动会增强扰动，强化换热。由于汽相导热性能较低，在汽泡内部靠近加热壁面的区域温度越高，而在汽液界面处由于蒸发和冷凝的交互作用，其温度维持在饱和温度附近。
　　汽泡聚合时，较小汽泡由于内部压力高而被较大汽泡吸附，汽泡间相对运动会在聚合汽泡中部形成一个速度滞止区和两个内部旋涡。汽泡聚合过程结束后，速度滞止区和旋涡场消失。模拟还发现在聚合过程中会在汽泡和壁面之间形成一个液膜，这为其他研究者实验所证实。
　　流道上游孤立小汽泡在表面张力作用下呈半球形，且附着在加热壁面上滑移，在滑移过程中逐渐长大，并与邻近汽泡聚合形成更大的汽泡团。下游聚合形成的较大汽泡由于所受剪切升力增加以及表面张力减弱有脱离加热壁面的趋势，且在主流冲击作用下有较大变形。汽泡滑移作为汽泡典型特征，会增强下游区域换热，从而抑制下游核化点产生。在滑移过程中也伴随有汽泡浮升和再粘附过程，其机理跟表面张力和剪切升力相互作用有关。
　　摇摆作用下流动沸腾压降和单相流动压降均比静止条件下要大，同时由于汽泡间歇性通过流道出口，流动沸腾压降会在单相流动压降基础上产生波动，且壁面热流密度越大，压降波动幅度越大。摇摆产生的附加惯性力对相比汽泡所受其他力而言可以忽略不计；摇摆造成的流量波动会改变汽泡所受剪切升力、流动曳力和水动力大小，从而影响汽泡脱离和滑移以及壁面附近沸腾换热。

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1 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究综述

1.3 课题主要研究内容

2 摇摆作用下单相及相变问题的数学物理模型

2.1 摇摆作用的数学描述

2.2 摇摆作用下单相及相变问题的控制方程

2.3 摇摆作用下相变问题的质量、能量及动量输运

2.4 本章小结

3 摇摆作用下单相流动与换热三维模拟

3.1 几何模型

3.2 数值方法

3.3 单相问题的模拟验证

3.4 摇摆作用对单相流动的影响

3.5 摇摆作用对单相换热的影响

3.6 流道几何中心位置对单相流动与换热的影响

3.7 本章小结

4 摇摆作用下过冷流动沸腾三维模拟

4.1 几何模型

4.2 数值方法

4.3 物性参数及计算工况

4.4 相变问题的模拟验证

4.5 孤立汽泡周围流场特性分析

4.6 汽泡聚合特性分析

4.7 摇摆作用对系统压降的影响

4.8 摇摆作用对汽泡受力的影响

4.9 工况参数对汽泡特性影响分析

4.10 本章小结

5 研究结论及建议

5.1 主要结论

5.2 不足之处及展望

致谢

参考文献

附 录