微細通道內流動沸騰的氣泡行為特性研究

《微細通道內流動沸騰的氣泡行為特性研究》是依託北京交通大學，由賈力擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微細通道內流動沸騰的氣泡行為特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：賈力
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

微細通道內的氣泡行為包括氣泡在通道壁面上的核化、生長、脫離，滑移、合併以及脫離後在通道內的運動軌跡或受限等十分複雜的物理現象，尺度減小造成了勢場影響力的變化，表現出了與常規尺度下不同作用機制，通道尺寸效應、截面效應、壓力、液體流速和熱流密度等對氣泡行為以及流型變化的影響規律尚不清晰，關於氣泡的微觀分析不足，微細通道內氣泡的變形未給與充分認識。本課題力圖通過構建適用的區域方程，通過解析解和精密的實驗觀測，研究微細通道內界面傳遞過程和氣泡行為，討論微細結構對氣泡行為的影響，探尋氣泡脫離直徑和脫離時間的有效描述方法，分析尺寸效應的作用機制，建立氣泡行為特性的理論描述。

結題摘要

以微細通道流動沸騰在能源動力等領域的套用為背景，從傳熱學的基本原理出發，通過實驗研究，分析了關鍵因素對流動沸騰中汽泡行為和兩相流型的影響，通過建立汽泡脫離數理模型，來揭示汽泡在各種條件下的脫離特性。通過對不同尺寸的通道內，不同實驗工況下的流通沸騰進行可視化實驗研究，觀測汽泡的各種行為，包括汽泡的聚合、脹縮和滑移等，以及整個通道中流型的分布和變化，發現環形通道中過冷流動沸騰的流型不同於常規通道，實驗中觀測到三種典型流型：泡狀流，彌散泡狀流和攪拌流，且三種流型所占據的區域長度隨熱流密度和質量流量的變化而變化。微小通道中的五種典型流型分別為：泡狀流，彈狀流，攪拌流，細環流和環狀流，且通道尺寸對汽泡行為和汽液兩相流型影響顯著。通過對可視化實驗數據的分析，得到了汽泡直徑和汽泡附壁直徑隨汽泡生長時間的變化曲線，結果顯示，汽泡由慣性力控制生長的初期階段大約維持在0~0.3ms之間，在此階段內，各工況下，汽泡生長速率非常接近，受實驗工況的影響較小；約在0.3ms之後，汽泡進入由熱擴散控制生長的後期階段，汽泡的生長速率在此階段隨實驗工況展示出明顯的不同，汽泡的生長速率受加熱壁面熱流密度的影響較為顯著，隨熱流密度的增大而增大。基於對汽泡脫離時汽泡附壁直徑與汽泡與脫離直徑的關係曲線的分析，總結了汽泡附壁直徑和汽泡脫離直徑的關係的關聯式，根據加熱壁面特性和實驗工況選取適當的經驗參數，該關聯式能夠較好的反映汽泡臨近脫離時，汽泡附壁直徑和汽泡脫離直徑之間的關係。實驗觀測到同一工況、同一加熱壁面、同一沸騰區域（孤立汽泡區）內的不同核化點上，汽泡脫離直徑存在差異的現象，對此現象進行了分析，並通過對汽泡的受力分析，結果顯示汽泡的附壁直徑對汽泡脫離直徑影響顯著，汽泡附壁直徑越大，對應的汽泡脫離直徑越大。通過對不同實驗工況下，汽泡脫離直徑變化規律的分析，發現在其他工況一定的情況下，汽泡脫離直徑隨熱流密度的增大而增大，隨流體質量流量的增大而減小。通道尺寸的變化對汽泡脫離直徑的影響顯著，汽泡脫離直徑隨通道尺寸的減小而減小。通過對作用在汽泡上的每個作用力的詳細分析，並結合汽泡附壁直徑和汽泡脫離直徑的關係，基於汽泡受力平衡建立了汽泡脫離直徑預測模型，並將模型預測結果與本研究實驗數據對比，吻合較好，誤差在 以內，與文獻中的實驗數據的比較，考慮到統計誤差等因素，也取得了較好的一致性，數據對比誤差保持在了 以內。