液氮核态池沸腾CFD模拟和可视化实验

摘要

低温流体池沸腾因其高效换热，在工业机械换热中有广泛应用，如低温空气分离过程中的冷凝蒸发器。本硕士论文对液氮(Liquid Nitrogen) LN2过程中的壁面沸腾模型进行模拟研究，并进行实验验证、对比及修正。用可视化的方法观测记录上述过程，并用CFD（Computational Fluid Dynamics）壁面沸腾模型进行验证和探究，并对实验数据和模拟数据进行对比，得到气泡直径和频率的关联式，修正了现有关联式，扩大了低温沸腾关联式在换热方面的应用范围，对低温流体沸腾换热的研究具有重要性和必要性。
　　首先介绍CFD建模的主要过程和关联式的选择，同时指出了Fluent的模拟需要建立在测得气泡脱离直径，气泡脱离频率和活化核心密度等实验数据的基础上。建模过程分为前期网格划分、数值计算和后期Fluent参数处理。基于液氮沸腾换热可视化实验台进行几何建模，其中因沸腾表面为重要换热部分，所以网格需细化，然后导入Fluent中使用Fluent中的Boiling模型进行求解计算。各种重要参数的选择非常重要，对于气泡脱离直径和气泡脱离频率使用实验测量数据，并将计算出的热流密度和过热度与实验测量数据送行对比，其他关键参数使用合适的内置模型。
　　其次，为了获取LN2池沸腾情况下的气泡参数，搭建液氮沸腾换热可视化实验台，实验不仅记录过热度和热流，还特别记录、分析过热度对气泡脱离直径和脱离频率的影响，并修正现有关联式，将其应用于LN2等低温流体，为此本文设计制作并完善了LN2核态池沸腾可视化实验装置，计划通过实验获取LN2池沸腾时的气泡脱离直径，脱离频率，热流密度，加热面过热度等重要参数。
　　最后，研究LN2在不同热流条件（3，000～200，000W/m2），一个大气压下的核态沸腾，并根据气泡特征将核态沸腾划分为三个阶段，即低热流阶段(3，000～15，000 W/m2)，过渡沸腾阶段(15，000～30，000W/m2)，完全核态沸腾阶段(FDNB，Fully Developed Nucleate Boiling)(30，000～200，000 W/m2)，并对不同阶段的气泡脱离频率、脱离直径进行探究。根据实验中高速摄像机拍摄的影像资料对沸腾现象进行描述和分类。将实验测得的数据，即气泡脱离直径和气泡脱离频率根据公式f1/2Dd=CJa√παl进行具体分析，分别对低热流阶段和完全核态沸腾阶段进行对比分析并拟合关联式，与现有关联式进行对比。将实验测得的过热度、热流密度的数据、CFD模拟数据、文献数据进行对比，其中CFD模拟数据是将实验测得的气泡脱离直径和气泡脱离频率带入后进行计算。基于得到的沸腾过程气泡直径及频率，构建了核态沸腾数值模型得到的过热度及热流密度关系，与实验测量得到的数据吻合。得到结论:在低热流的情况下，气泡离散，C=32.12;完全核态沸腾阶段，气泡以气泡茎的形式脱离，C=70.62。本研究对于探究核态沸腾机理有指导性作用，在工业机械换热中，如低温空气分离过程中的冷凝蒸发器等的研究也有重要工程应用和参考价值。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 沸腾过程

1．3 低温流体池沸腾的研究现状

1．3．1 低温流体与常温流体的典型物性对比

1．3．2 起始沸腾过热度

1．3．3 有效成核尺寸

1．4 池沸腾换热的主要研究方法与研究现状

1．4．1 池沸腾实验及理论研究现状

1．4．2 CFD模拟研究现状

1．4．3 表面粗糙度的影响研究

1．5 本文研究内容

第2章 LN2核态池沸腾CFD模型

2．1 简介

2．2 壁面热流分布模型

2．3 活化核心密度

2．4 气泡脱离直径

2．5 气泡脱离频率

2．5．1 单个气泡脱离频率关联式

2．5．2 合体气泡脱离频率关联式

2．6 其他关键参数

2．7 CFD建模细节

2．7．1 网格建模

2．7．2 沸腾模型建模

2．8 收敛判断

2．9 本章小结

第3章 LN2核态池沸腾可视化实验

3．1 实验装置与实验方法

3．1．1 气泡测量

3．1．2 温度测量

3．1．3 热流密度测量

3．1．4 总体方案

3．2 沸腾工件结构

3．3 温度采集系统

3．4 可视化LN2杜瓦容器

3．4．1 结构

3．4．2 绝热

3．4．3 可视窗口

3．5 高速摄像采集系统

3．5．1 高速摄像机

3．5．2 光源

3．5．3 Phantom处理图像

3．5．4 气泡图像分析

3．6 实验的开展

3．7 改进的实验装置

3．8 本章小结

第4章 实验与仿真结果分析

4．1 不同沸腾状态气泡特征

4．2 核态沸腾的阶段

4．2．1 低热流阶段

4．2．2 过渡沸腾阶段

4．2．3 完全核态沸腾阶段

4．3 气泡脱离直径实验结果与拟合

4．4 气泡脱离频率实验结果与拟合

4．5 脱离直径和脱离频率的关系

4．6 CFD模拟结果与实验的对比

4．7 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的科研成果