蒸汽气泡在过冷水中生长流动的数值研究

摘要

由于高换热速率和低驱动势需求等优点，蒸汽气泡冷凝在工程系统中有着广泛的应用。蒸汽气泡冷凝过程包括气泡的产生、分离和上升三个阶段。气泡的产生阶段受到过冷度、壁面接触角等多种因素影响;而气泡上升阶段又和分离时气泡体积有关。因此，蒸汽气泡的预测非常困难，值得深入研究。
　　本文基于VOF方法，通过UDF介入，建立了水蒸气气泡冷凝的数值方法，并数值模拟了水蒸气气泡在过冷水中的生长、分离过程及单个水蒸气气泡和水蒸气空气组成的混合气泡在液态水中的上升过程。气液两相流采用VOF方法模拟，混合气体采用组分输运模型。基于分子动力学理论建立了水蒸气及水蒸气和干空气组成的混合气体在液态水中冷凝的相变模型。相变过程中的传质以用户自定义源项的方式添加到方程中。借助参考文献和表格资料，确定了本文模拟工况下各参数的物性。混合气体的密度由理想气体状态方程求出，其余物性由经验公式或拟合公式得到。
　　对单个气泡在过冷水中的冷凝上升过程进行了模拟，且通过一维Stefan相变问题验证了所使用的相变模型的正确性。研究表明气泡冷凝过程中的变形由Re数、Eo数、M数三种无量纲参数决定。增加气泡的初始直径，气泡的存在时间增长且变形更为复杂，在冷凝末期出现气泡破碎的冷凝加速阶段;增加过冷度后气泡存在时间变短且气泡直径随时间几乎直线减小;系统压力增加后气泡的存在时间增加且形状改变减少。不凝气存在时，气泡的冷凝时间变长，速度增长变缓且最终速度减小。气液界面的换热系数随不凝气体的质量分数的增加而急剧减小。
　　对定流量时水蒸气和空气气泡通过浸入式孔口的生长和分离过程进行了模拟。模拟结果表明，壁面接触角小于90°时，气液界面在生长过程中维持在入口孔边缘;壁面接触角90°后，气液界面沿壁面扩张;壁面接触角大于40°后，气泡的分离时间才随接触角的增大而增加，蒸汽气泡分离时间增加得更明显。入口流量增大后，气泡的分离加快且逐渐从单周期变为双周期。过冷度和孔径增大后，气泡的分离时间变长且双周期特性减弱。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 气泡运动及冷凝简介

1．2．1 气泡的形成

1．2．2 气泡的上升过程

1．2．3 气泡冷凝与界面换热

1．2．4 不凝气体的影响

1．3 本文工作

第2章 数值方法与气液两相流

2．1 界面处理方法

2．1．1 气液两相流数值模拟的主要困难

2．1．2 VOF方法简介

2．1．3 其它界面处理方法

2．2 控制方程

2．3 物性参数的确定

2．3．1 干空气的物性

2．3．2 水蒸气和液态水的物性

2．3．3 混合气体的成分表示

2．3．4 混合气体的物性参数

2．3．5 混合气体状态参数

2．4 表面张力及壁面接触角

2．4．1 表面张力模型

2．4．2 壁面接触角

2．5 相变模型

2．6 本章小结

第3章 气泡过冷流动的数值模拟

3．1 计算模型及网格无关性验证

3．1．1 物理计算模型和数值方法

3．1．2 网格无关性验证

3．2 计算模型的验证

3．2．1 一维相变Stefan问题

3．2．2 与实验结果对比

3．3 蒸汽气泡冷凝

3．3．1 初始直径的影响

3．3．2 过冷度和系统压力的影响

3．3．3 主流速度的影响

3．3．4 不凝气的影响

3．4 本章小结

第4章 气泡生长分离的数值模拟

4．1 单气泡的生长分离研究

4．1．1 计算模型与数值方法

4．1．2 壁面接触角的影响

4．13过冷度的影响

4．2 气泡分离周期的模拟研究

4．2．1 入口流量的影响

4．2．2 孔径的影响

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 不足与展望

参考文献

致谢

研究生期间发表的论文