窄流道汽化核心密度与汽泡频率实验研究

摘要

窄流道沸腾换热具有优良的传热强化特性，这早已被众多的研究者们发现，窄流道的沸腾换热研究已经在核反应堆、微电子、航空航天、低温制冷以及化工等领域广泛开展，但因为窄流道与常规通道的沸腾换热机理有较大不同，还需要进一步深入地研究。本文针对窄空间内的汽化核心密度特性和汽泡频率特性进行了实验研究，分析了影响汽化核心密度和汽泡频率的参数，并将实验结果和常规通道中的结果相比较，分析了两者间区别，基于理论分析，提出了窄流道中汽化核心密度的半经验半理论关系式。
　　 本文以水为工质，加热面材料为不锈钢，粗糙度为0.52 μm，接触角为73.89°。采用5000帧/秒的高速摄像仪对沸腾表面进行可视化研究，对连续的汽泡生长图片通过人工计数的方法进行统计。改变质量流速、液体过冷度、热流密度、压力以及流道间隙等来分析工况参数对汽化核心密度的影响。实验结果表明：
　　 （1）在窄空间内，质量流速对汽化核心密度没有影响；汽化核心密度与热流密度之间存在着固定的函数关系，汽化核心密度随热流密度的增加而增加；在过冷流动沸腾中，当过冷度小于15℃时，汽化核心密度随着过冷度的增加先增加后减小，当过冷度大于15℃时，其对汽化核心密度的影响不大；压力在3 bar以下时，沸腾主要是在核化点的沸腾，压力越大，在相同热流密度条件下，汽化核心密度值越小；流道间隙越小，汽化核心密度越大，且随着热流密度的增加，流道间隙对汽化核心密度的影响越大；汽化核心密度越大，其换热系数也越大，这也进一步说明了窄空间较强的换热能力。
　　 （2）窄空间流动沸腾中，汽化核心密度与壁面过热度的关系与大空间池沸腾一致的，即。但在常规通道中，m>1，在窄流道中，m<1。根据非均温系统中凹穴活化分析计算出最小成核半径，由实验结果分析发现，当汽化核心密度和最小成核半径满足分形关系时，其分形维数D<1，但已有的文献中关于常规通道中的实验结果显示，其分形维数D>1。
　　 （3)基于理论分析，提出了在窄空间流到内汽化核心密度的预测关系式，与实验结果比较，吻合较好，误差在±25％以内。
　　 （4）汽泡频率随热流密度的增大而增大；在不同的过热度区域内，汽泡频率随着过热度增加而增加的，但并不是线性增加，由于产生汽泡的孔径不同，对汽泡频率造成了一定的影响；当过冷度小于15℃时，汽泡频率随过冷度的增加而增加，但是当过冷度大于15℃时，汽泡频率随过冷度增加而减小；根据常规通道内的经验计算公式，不能很好地描述窄流道中的汽泡频率特性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

1 绪 论

2 实验系统及数据处理

3 理论分析

4 影响参数数据计算处理

5 窄流道内的汽化核心密度

6 窄流道内汽泡频率特性

7 结论及建议

致 谢

参考文献

附 录