气泡微细化沸腾现象可视化实验研究

摘要

沸腾换热具有传热温差低、换热系数高的优点，因而被广泛的应用在各类换热设备的设计过程中。随着壁面过热度的增加，沸腾依次经过核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾几个阶段，过渡沸腾极不稳定，容易发生壁面温度急剧升高和热流密度迅速下降的情况，有时甚至会导致加热面烧毁，所以沸腾换热设备的换热能力受到了限制。气泡细微化沸腾（MEB）指在沸腾到达CHF点以后，随着壁面温度的升高，换热系数不降反升的一类特殊的沸腾现象。因此可以在壁温较低的条件下获得比 CHF点更高的热流密度，从而解决提高换热器换热极限的难题。
　　为了研究 MEB现象及其形成机理，本文搭建了一个 MEB可视化实验台，成功观察到了稳定的MEB现象，并采集了相应的壁温和沸腾音数据。为研究蒸汽冷凝时的气泡行为，本文还搭建了一个蒸汽注射实验装置。主要研究结果如下：
　　1. MEB实验结果表明，在高于25K过冷度条件下，MEB现象可以稳定发生，随着过冷度的升高，可以获得的热流密度也会升高。汽液置换是MEB的主要换热机理，本文在Rohsenow的沸腾换热关联式的基础上，给出了MEB传热计算关联式。
　　2.根据可视化研究结果，描述了从核态沸腾阶段到MEB阶段的气泡行为，以及其与壁温和过冷度的关系，还探讨了不凝结性气体和加热面布置方式对MEB影响。
　　3.沸腾音分析结果表明，沸腾音的幅度谱会随着沸腾模式的变化而体现出不同的特性。当MEB现象发生时，幅度谱300Hz附近会形成一个MEB特征谱峰。随着热流密度增加，气泡行为变得更加剧烈，特征谱峰的幅值也相应升高；沸腾音混沌分析证明，MEB系统具有混沌特征，其复杂程度、无序性均高于核态沸腾。
　　4.通过蒸汽注射实验，得到了蒸汽冷凝过程中的气液界面的变化，以及注射速度和超声波强度对其影响。实验结果表面，注射速度适中(0.34m/s左右)、超声波强度足够强时，气泡变得易于破碎。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及目的

1.2 MEB研究现状

1.3 过冷度和加热面尺寸对池沸腾的影响

1.4 热毛细对流(Marangoni convention)与微细化沸腾的关系

1.5 本文的主要工作

第2章 气泡微细化沸腾实验装置

2.1 实验仪器介绍

2.2 加热面布置方案

2.3 本章小结

第3章 MEB可视化实验结果和传热特性

3.1 MEB传热特性

3.2 MEB可视化实验结果

3.3 本章小结

第4章 MEB噪声特性

4.1 噪声特性研究原理

4.2 MEB沸腾音特性分析

4.3 本章小结

第5章 超声场内蒸汽注射实验

5.1 超声场与声空化沸腾

5.2 实验仪器

5.3 注射速度的确定方法

5.4 可视化实验结果

5.5 本章小结

第6章 巨型计算机液冷系统概念设计

6.1 引言

6.2 换热器模型

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢