不同曲率朝下加热曲面蒸气泡的生长滑移和脱离的实验研究

摘要

在许多工业应用中，沸腾传热机理对于描述传热过程具有极其重要的意义。其中，泡状是过热度相对较低的一种特殊池内沸腾状态，该状态下，蒸气泡的生长及运动行为是揭示传热机理过程中的重要研究对象。近年来，低温流体在工业领域及生活领域得到越发广泛的应用，关于过冷沸腾的特性也随之得到更多的关注与研究。
　　国内外学者大多采用了可视化的研究手段，在过冷沸腾状态下，针对传热过程中气泡的产生、长大、运动行为以及形态变化等特性进行了大量的科学实验。然而，在这些研究成果中，产生蒸气泡或气泡附着的表面大多为水平朝上/下壁面、具有一定倾斜角度平板以及竖直壁面。气泡在曲壁面上生成或附着的研究相对较少，更鲜有针对气泡在曲率不同的朝下壁面上的行为特性进行实验研究。
　　因此，本文重点研究在过冷沸腾条件下，蒸气泡在不同曲率朝下加热壁面上的生成、长大、滑移以及脱离消失等一系列基本物理过程，根据文献，选择可视化的实验方法，使用高速摄像机拍摄记录蒸气泡的运动和形态变化，探究过冷沸腾状况下，蒸气泡在不同曲率的光滑椭圆管表面的行为特性有何不同，总结分析曲率对蒸气泡形状、始动截面积以及始动时间等参数的影响。主要研究内容包括以下几点：
　　（1）查阅学习国内外文献，在课题组研究成果基础上，选择实验工质，掌握实验方法，学习使用相关的实验设备，根据需要进行设备更新或调整；
　　（2）使用UGNX软件进行六种不同曲率光滑椭圆管实验试件的设计。设计过程中，考虑实验点曲率设计、试件材料、与实验台相配合、加工难度等等因素，建模完成后使用AutoCAD绘制六个实验试件图纸，交付加工；
　　（3）设计并完成实验，得到高速摄像机拍摄的图像数据，观察蒸气泡在不同热流密度、不同曲率实验试件上的运动规律，使用相关图像处理软件对筛选的图片进行处理，获得蒸气泡较为清晰的图像数据，之后利用Image Pro Plus软件对蒸气泡的始动截面积、最大截面积、横纵轴比等数据进行提取以供分析。
　　（4）经研究发现，在形态方面，蒸气泡在生长阶段与滑移初期阶段近似椭球体，投影截面积近似椭圆，蒸气泡在实验点处投影截面的横纵轴之比与相应实验试件横纵轴之比呈正相关趋势；在传热方面，根据实验试件曲率不同，热流密度对于蒸气泡始动截面积和最大截面积的影响不同实验点曲率较小时，热流密度增大，蒸气泡始动截面积和最大截面积增大；实验点曲率较大时，热流密度增大，蒸气泡始动截面积区域不变，最大截面积减小。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 研究现状

1.3 主要工作

2 实验设备及实验方法

2.1 实验设备

2.2 实验操作

2.3 图像处理方法

2.4 热流密度计算方法

2.5 本章小结

3 蒸气泡运动过程分析

3.1 未产生脱离状态

3.2 产生脱离状态

3.3 对比分析及小结

4 实验结果分析

4.1 蒸气泡形态分析

4.2 蒸气泡体积变化分析

4.3 周期与始动时间

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢