基于格子Boltzmann方法的细微通道内脉冲加热下沸腾相变的研究

摘要

现代换热设备的微型化趋势使细微通道内的相变问题受到广泛关注。在实际应用中，脉冲加热状态下细微通道内的气泡生长运动特点有别于持续加热，受许多因素影响。目前为止，人们对脉冲加热下流体相变换热的研究主要集中在实验方面，数值模拟方面的进展比较缓慢，急需拓展新思路。
　　考虑到近年来发展迅速的格子Boltzmann方法在求解多相流问题方面的优势，本文在详细介绍格子Boltzmann方法的基础上，使用双分布函数多相热LB模型对细微通道内的沸腾相交进行了计算分析。使用的模型是原有双分布函数热LB模型的改进模型，该模型在稳定性及可计算参数范围方面较原模型更优。
　　本文的计算分为单个脉冲周期和三个脉冲周期两部分。单个脉冲周期的计算结果表明:在温度和压力固定时，计算所得的沸腾起始时间与加热热流密度成反比，但较实验结果滞后;加热热流密度的增大使气泡最大体积及其整个生命周期均增大，热滞后效应也增强;而脉冲宽度对沸腾的影响在加热热流密度不同时有所不同，小热流密度下，脉冲宽度的增大使沸腾更剧烈;大热流密度下，气泡的体积及内外压差变化更具波动性，内外压差在气泡消失前出现了短暂的快速上升过程。
　　三个脉冲周期下的计算条件为输入总热量不变，结果表明:当脉冲宽度固定时，脉冲间隔越大沸腾越不剧烈;而当脉冲间隔固定时，脉冲宽度越小沸腾越剧烈。对比持续加热与脉冲加热可知，在同样的时间和输入热量下，脉冲加热较持续加热更能引起通道内流体的振荡运动，达到强化换热的效果，且这种优势在持续加热功率越小时越大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 流体运动及换热的数值模拟方法

1．3 格子Boltzmann方法的发展及研究现状

1．3．1 格子Boltzmann方法的起源及发展

1．3．2 格子Boltzmann方法在多相流方面的研究现状

1．4 研究内容

第2章 格子Boltzmann方法的基本理论

2．1 Boltzmann方程和格子Boltzmann方程

2．1．1 Boltzmann方程

2．1．2 H定理

2．1．3 Maxwell分布

2．1．4 格子Boltzmann方程

2．2 格子Boltzmann方法的基本模型

2．2．1 BGK模型

2．2．2 Chapman Enskog分析

2．3 边界条件的处理方法

2．4 作用力的引入形式

2．5 本章小结

第3章 单组份含相变的格子Boltzmann模型

3．1 Shan-Chen伪势模型

3．2 双分布函数热格子Boltzmann模型

3．2．1 模型基本理论

3．2．2 作用力处理格式

3．2．3 状态方程的选取

3．2．4 温度源项的推导

3．3 双分布函数模型的数值验证

3．3．1 两相分离

3．3．2 虚假速度

3．4 本章小结

第4章 双分布函数多相热格子Boltzmann模型的改进

4．1 原模型在计算中出现的问题

4．2 改进模型

4．3 改进模型的验证

4．3．1 两相分离

4．3．2 界面特性

4．3．3 三相接触角

4．4 改进模型与原模型的对比

4．4．1 状态方程

4．4．2 虚假速度

4．5 本章小结

第5章 细微通道内脉冲加热下沸腾相变的计算

5．1 计算区域及选定参数

5．2 单个脉冲加热周期下的计算

5．2．1 加热热流密度对沸腾起始时间的影响

5．2．2 不同加热热流对沸腾的影响

5．2．3 不同脉冲宽度对沸腾的影响

5．3 三个脉冲周期下静止流体的相变换热计算

5．3．1 脉冲参数对沸腾的影响

5．3．2 脉冲加热与持续加热对比

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢