矩形细通道内流动沸腾特性分析及实验研究

摘要

对微细通道内流动沸腾现象的研究，已成为近期传热学领域的一个新的研究热点。本文以深入探究传热机理，明确微细尺度下的流动沸腾新特性为目的，以流动沸腾的流型、传热和压降特性为着手点，对矩形细通道内的流动沸腾现象进行了理论分析、实验观测和数值模拟研究。
　　 通过对微细通道内工质流动沸腾过程中单个气泡进行气泡动力学分析，推导得到了气泡脱离直径Dd的表达式，指出当微细通道宽度S小于气泡脱离直径Dd时，受限泡状流的存在状态，并进一步分析了这一流型的流动特征。对受限泡状流进行单独研究，并细化传统流型分类，为进一步深入研究通道尺度对于流型、传热和阻力特性的影响奠定了基础，为微细通道的划分准则提供了补充和参考，并能对已有文献中所观察到的一些特殊现象进行合理解释。
　　 利用自行设计的微细通道实验台，开展了多工况条件下竖直矩形细通道内流动沸腾现象的实验研究，采用CCD成像技术和人工神经网络相结合的方式，实现了对气液两相流型的准确和客观的识别。实验中得到的流型包括孤立泡状流、弹状流、环状流和局部蒸干区、受限泡状流，验证了流型的理论分析结果。人工神经网络在流型识别方面具有较高的可靠性和准确度，有效弥补了传统流型识别方法的不足。
　　 基于实验结果和理论分析，并考虑到受限泡状流的产生条件，本文对流型进行细分，理论推导了孤立/受限泡状流向弹状流、弹状流向环状流、以及受限通道内气泡生长段向受限泡状流的流型转变准则，所得到的预测曲线与实验结果符合较好。研究表明，微细通道内流动沸腾气液两相流的流型转变比绝热工况下有明显的推迟;在流动沸腾工况、相同热流密度和质量流速条件下，随着微细通道尺寸的减小，流型转化会在一定程度上提前产生。
　　 为了进一步研究受限泡状流流型区域的传热特性，本文结合受限气泡的流动特征，对已有三区模型进行修改，提出了可用于计算竖直矩形细通道内受限泡状流区域传热系数的理论模型，该理论模型对竖直矩形细通道内受限泡状流流型区域的传热系数表现出较好的预测能力，预测值与实验结果的平均绝对误差为9.72％。通过分析热流密度、质量流速和系统干度对受限泡状流流型区域传热系数的影响表明，作为一种由沸腾起始阶段向稳定的两相弹状流、环状流过渡的流型，受限泡状流具有核态沸腾换热和强制对流沸腾换热共同作用的特征。
　　 本文对竖直矩形细通道内流动沸腾系统压降进行分类研究，分析了实验中得到的压降数据，结果表明，两相摩擦压降的数值随质量流速的减小、通道宽度的减小和加热热流密度的上升而增大，宽度为0.5mm的通道内的两相摩擦压降更是明显高于其他尺寸通道内的两相摩擦压降数值。在此基础上，本文采用Lockhart-Martinelli关系式，综合考虑了通道尺寸、质量流速和热流密度的影响，拟合得到了新的两相摩擦压降实验关联式，其预测结果与实验数据吻合较好，尤其在通道宽度S=0.5mm的工况下，预测结果明显优于已有实验关联式。
　　 本文通过编写个性化程序对沸腾关键过程进行控制，并结合通用CFD软件实现了实验工况条件下的数值模拟研究，分别得到了对应于非受限通道和受限通道中的孤立泡状流和受限泡状流流型，明确了通道尺度对于流动沸腾流型特征以及相应的压降和传热特性的影响。此外，利用数值模拟方法时间步长可控的优势对矩形微细通道内的单个气泡由生长到受限的过程进行了准确捕捉，分析了气泡的流动特性，得到了受限气泡的速度矢量图和温度场分布。通过对比研究有重力、无重力条件下的气泡长度变化曲线，指出在数值模拟工况下，微细通道内重力对于气泡行为的影响可以忽略不计。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 微细通道的定义及划分

1．2．2 微细通道内流动沸腾及气液两相流的实验研究

1．2．3 微细通道内气液两相流型转变准则的理论研究

1．2．4 微细通道内流动沸腾及气液两相流的数值模拟

1．3 主要研究内容

第二章 竖直矩形细通道内流动沸腾的实验研究

2．1 概述

2．2 实验系统组成

2．2．1 流动回路

2．2．2 实验段

2．3 参数测量

2．4 数据处理

2．4．1 传热系数的计算

2．4．2 压降的计算

2．5 流型识别

2．5．1 实验中观测到的流型

2．5．2 基于BP神经网络的流型识别

2．5．3 基于Elman神经网络的流型识别

2．6 本章小结

第三章 通道尺度对流动沸腾气液两相流中气泡行为的影响

3．1 概述

3．2 两相流基本物理量

3．2．1 相速度和表观速度

3．2．2 质量含气率和热力学含气率

3．2．3 空泡份额和体积含气率

3．3 流型定义

3．4 气泡动力学分析

3．4．1 气泡脱离直径的计算

3．4．2 受限泡状流的产生条件

3．5 流型细分的意义

3．6 本章小结

第四章 竖直矩形细通道内流动沸腾的流型转化理论研究

4．1 概述

4．2 空泡份额

4．2．1 空泡份额计算模型

4．2．2 实验中空泡份额的计算

4．3 受限通道中由气泡生长段向受限泡状流的流型转化准则

4．4 孤立／受限泡状流向弹状流的流型转化准则

4．5 弹状流向环状流的转化准则

4．6 竖直矩形细通道内流型转化准则的验证与分析

4．6．1 与实验结果的对比验证

4．6．2 微细通道尺寸对流型的影响

4．6．3 与绝热两相流流型转变理论模型的比较

4．7 本章小结

第五章 竖直矩形细通道内受限泡状流的传热特性理论研究

5．1 概述

5．2 受限泡状流区域的传热特性

5．2．1 基本假设

5．2．2 初始条件和基本方程

5．2．3 液膜厚度的确定

5．2．4 传热分析

5．3 理论模型的实验验证

5．4 本章小结

第六章 竖直矩形细通道内流动沸腾的阻力特性理论研究

6．1 概述

6．2 单相液体流动压降

6．2．1 单相摩擦压降

6．2．2 单相重位压降

6．3 两相流动压降

6．3．1 两相重位压降

6．3．2 两相加速压降

6．3．3 两相摩擦压降

6．4 竖直矩形细通道内两相摩擦阻力特性分析

6．4．1 实验数据分析

6．4．2 两相摩擦压降实验关联式拟合

6．5 本章小结

第七章 微细通道流动沸腾的数值计算与模拟

7．1 概述

7．2 数值计算方法

7．2．1 流动形式的判定

7．2．2 流体体积模型

7．2．3 控制方程

7．2．4 离散方法

7．2．5 用户自定义函数

7．3 竖直矩形细通道流动沸腾特性的数值模拟

7．3．1 模型建立及求解设置

7．3．2 流动沸腾特性

7．3．3 压降及传热特性

7．4 竖直矩形细通道内受限气泡的运动特性的数值模拟

7．4．1 模型建立及求解设置

7．4．2 竖直矩形细通道内受限气泡生长特性

7．4．3 速度场和温度场

7．4．4 重力的影响

7．5 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 本文的研究结论

8．2 主要创新点

8．3 展望

参考文献

攻读博士期间发表论文等成果

致谢

学位论文评阅及答辩情况表