池内淬火沸腾传热的数值模拟与实验研究

摘要

沸腾传热是在自然界以及在工业生产中极为常见的一种现象，也是传热学的重要组成部分，其在金属热处理以及核工业安全等行业中广泛存在，提高沸腾传热过程中的换热效率显得尤其重要。但由于沸腾传热过程中涉及较为复杂的相变过程，并且存在气泡的运动以及液体的流动，因此其相关机理并不十分完善。本文针对不锈钢球在淬火液中的沸腾传热过程进行了数值模拟和实验研究，并分析了不同因素对沸腾传热过程的影响。　　本文借助于计算软件平台Fluent，设置不锈钢球以及气液相的热物性参数，通过用户自定义函数（UDF）编写了气液两相之间的质量和能量源项转换方程，并选择合适的控制方程进行了计算。在淬火沸腾传热的数值模拟中，钢球初始淬火温度、液体过冷度和液体流速的范围分别为650~1000℃、0~80℃和0.1~1m/s。结合计算结果中的相云图、温度云图、速度矢量图以及淬火曲线和表面换热系数曲线进行分析研究。　　结果表明初始淬火温度的增加会使气膜厚度明显增加，气膜持续时间增长，气膜的波动性和波动范围增加。中心和边界的LFP温度随着初始淬火温度的增加而减小，但是初始淬火温度对于IHTC曲线的影响较小。过冷度的减小可以使气膜厚度明显增加，气膜的波动范围扩展到钢球到下半区域，并且气膜持续时间和IHTC曲线随着过冷度的减小显著增加，膜态沸腾持续时间与过冷度呈负相关。液体流速的增加可以使膜态沸腾持续时间明显缩短，并且淬火速率显著增强。当流速大于0.3m/s时，钢球左侧气膜厚度明显减小，钢球气膜内蒸汽的流动方向由逆时针变为顺时针，并且在钢球右侧出现两个气泡逸出位置，液体流速对于钢球左侧LFP温度无明显影响，IHTC随着流速的增加有一定的增加。　　通过对比不同初始淬火温度时的数值模拟和实验，其结果具有较好的吻合性。在实验中观察到气膜的破裂起始于钢球的底部，并不断向气膜其他区域扩展。通过图像处理软件计算出实验时气膜的厚度，与数值模拟结果相比具有良好的一致性。实验时的钢球中心温度和通过反传热方法计算的钢球边界温度与数值模拟温度曲边基本吻合，数值模拟的钢球边界温度曲线能更好的体现出过渡沸腾向核态沸腾的转变。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景和意义（Research background and purpose）

1.2 沸腾传热概述（Boiling heat transfer overview）

1.3 沸腾传热的研究现状（Research status of boiling heat transfer）

1.4 本文主要研究内容（The main research content of this article）

2 沸腾传热数值模拟理论及软件

2.1 CFD简介（Introduction to CFD）

2.2 FLUENT软件（FLUENT software）

2.2 多相流模型分类（Multiphase flow model classification）

2.3 气液两相流沸腾模型（Gas-liquid two-phase flow boiling model）

2.4 离散化处理（Discretization）

2.5 数值计算方法（Numerical calculation method）

2.6 本章小结（Summary）

3 沸腾传热过程的模拟研究

3.1沸腾传热物理模型（Boiling heat transfer physical model）

3.2 材料热物性参数（Material thermophysical parameters）

3.3初始条件与边界设置（Initial conditions and boundary settings）

3.4 UDF设置（UDF settings）

3.5数值模拟计算与分析（Numerical simulation calculation and analysis）

3.6 本章小结（Summary）

4 沸腾传热过程的实验研究

4.1 引言（Introduction）

4.2 实验设备介绍（Introduction of experimental equipment）

4.3 钢球沸腾实验（Steel ball boiling experiment）

4.4反传热方法求解表面温度和表面换热系数（Inverse heat transfer method for surface temperature and surface heat transfer coefficient）

4.5 实验结果（Experimental results）

4.6 本章小结（Summary）

5 结论与展望

5.1 结论（Conclusions）

5.2 展望（Prospects）

参考文献

致谢

作者简历

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