基于气体动力论界面质量输运和微液层蒸发模型的过冷沸腾汽泡生长特性研究

摘要

汽泡动力学是流动沸腾换热过程研究的热门课题之一。过冷条件下汽泡的核态沸腾现象广泛存在于强化制冷、电子热控、紧凑型核反应堆等多种工业换热设备中。汽泡在相应条件下的生长、演化、运动机制对提高设备换热效率、增强设备安全性有着重要意义。另一方面,汽泡生长过程的具有尺度跨越大、变化时间短,并伴随着复杂的流动与换热机理等特点,给实验研究和模拟计算均带来了较大的挑战。本研究以水为工质在过冷流动沸腾条件下,针对矩形竖直窄通道建立了基于气体动力论界面质量输运和微液层蒸发的汽泡生长模型。模型对比分析了不同主流过冷度、不同系统压力、不同入口流速条件对汽泡生长的影响。并深入分析了汽泡在生长过程中的受力情况、形态演化情况和微液层变化情况。
　　模拟结果表明,所建立的模型综合考虑了基于气体动力论界面传热传质机制和基于傅里叶导热定律的微液层蒸发机制,较为准确地描述了过冷流动沸腾条件下的汽泡生长过程,所得结果与实验结果吻合较好。在CFD实现上,合理进行了网格划分与计算区域的设置,解决了窄通道尺寸与汽泡附近尺寸的跨越较大的问题;并针对所采用的VOF方法对Fluent软件模型中的质量源项、能量源项进行用户自定义修正。
　　研究中分析了入口过冷度、系统压力、入口流速对汽泡生长过程的影响。在较高的入口过冷度条件下,由于过热液体层较薄并且汽泡顶部冷凝作用显著,汽泡半径较小时即开始脱离,整体生长时间较短;在较高的系统压力作用下,由于垂直加热壁面的受力平衡不容易被打破,汽泡脱离加热壁面较晚并且脱离直径较小;汽泡在较大的入口流速条件下,汽泡顶部的换热效果较为明显但过热液体层厚度差别不大,因此汽泡较早脱离加热壁面但脱离直径变化不大。
　　本文还对汽泡生长过程中的形态变化、受力状态、微液层厚度变化进行了分析。分析结果表明,汽泡生长过程主要分为快速生长阶段、缓慢生长接触角调整阶段、脱离壁面、冷凝收缩等四个阶段。各个阶段更迭往往是由于汽泡周围受力变化而产生的。研究对汽泡底部微液层变化情况建立了模型,并对不同工况下微液层厚度变化、微液层存在时间进行了分析。整体来讲,微液层厚度随时间降低。在微液层存在的初期下降幅度较慢较慢,后期下降幅度逐步加快,期间厚度变化略有小幅波动。此外入口流速越大、入口过冷度越高的情况下,微液层存在时间越短,厚度下降越快。