单气泡池沸腾传热中的重力效应数值模拟

本文数值模拟了不同重力条件下饱和状态的FC-72在厚度5 mm的SiO2固壁上的单气泡池沸腾传热现象及相应的气泡动力学和传热性能.固壁底面给定均匀过热度10 K,其瞬态热响应被考虑在内.通过多个气泡周期的计算,得到了准稳态的沸腾过程.结果表明,在小热流密度下,气泡脱落直径Db反比于重力的1/2次方,且与Fritz模型一致;气泡脱落频率f则正比于重力.传热特性存在2个明显不同的区域,即重力相关区和重力无关区,其分界位置约为0.03g0:高于该临界重力时,热流密度与重力相关,恒定过热度下热流密度与重力呈确定的指数函数关系;小于该临界重力时,热流密度与重力无关.临界重力值对应于基于Laplace长度的无量纲加热器长度约2～3之间,与Raj-Kim-McQuillen重力标度模型建议的2.1相近.重力相关区标度指数随着过热度增大而单调增大,但明显大于Raj-Kim-McQuillen重力标度模型预测结果.研究结果还表明固壁瞬态热响应对重力无关区传热性能的影响比重力相关区更为明显.     

液体火箭发动机自然循环预冷回路的数值研究

针对低温液体火箭发动机预冷自然循环回路的流动与传热过程,建立了一维非稳态均相流数学模型,采用反环状流和弥散流两种流型描述膜态沸腾流型及传热特性.数值计算结果表明:自然循环预冷回路中推进剂流量的不稳定特性是由驱动力——循环回路释热量的不稳定性造成的;预冷过程约80%的管路壁面温度下降由膜态沸腾所引起;反环状流和弥散流膜态沸腾流型的引入,可较好解释回流管壁面温度在预冷过程中的逆向分布规律.      

加热丝上核态沸腾时汽泡间的热相互作用

本文分析讨论加热丝上汽泡生长过程中加热丝的温度变化特征 ,揭示一个活化核心的起泡对周围其他活化核心起泡过程以及其自身的影响 ,进而讨论两个核心之间起泡的相关性。分析还发现由于汽泡生长造成的局部温度下降是加热丝表面沸腾需要较高过热度的一个重要原因。通过对温度场的计算 ,模拟了两个临近核心之间的热相互作用 ,得出一些有益的结论。     

楔形夹缝内部液体核态沸腾特性

针对楔形夹缝内部液体核态沸腾状况进行可视化实验研究。实验利用表面平整均匀的铜板作为加热平板,用玻璃作为盖板形成楔形夹缝。实验现象表明沸腾核化现象比较容易在狭缝中相对较大的空间中形成,而在狭缝中相对较小的空间里形成沸腾需要更高的热流密度。实验现象还表明,在同一空间尺度条件处的核化和气泡演化情况基本相同,气泡的生长速率在无量纲参数D≥0.1时受到空间尺度的明显影响。      

气膜出流条件下回转通道换热特性实验研究

为了研究气膜出流对回转通道的影响,将回转通道的一个壁面在出口通道上开气膜出流孔,其中回转通道为带有90°直肋的变截面通道。并且将通道分成若干特征单元进行结果分析。结果表明:气膜出流加强了带气膜出流孔壁面的换热,减弱了相对的无气膜出流孔壁面的换热。而且对于整个单元而言,存在最佳的出流流量比使单元的整体换热效果最好。     

低温液体火箭发动机预冷自然循环回路的流动与传热特性研究

针对低温液体火箭发动机预冷自然循环回路的流动与传热过程,建立了一维非稳态均相流数学模型,采用反环状流和弥散流两种流型描述膜态沸腾流型及传热特性。数值计算结果表明：自然循环预冷回路中推进剂流量的不稳定特性是由驱动力——循环回路释热量的不稳定性造成的;预冷过程约80％的管路壁面温度下降由膜态沸腾所引起;反环状流和弥散流膜态沸腾流型的引入,可较好解释回流管壁面温度在预冷过程中的逆向分布规律。     

闪沸工况下过热度对水喷雾雾化效果的影响

针对空间及高空环境中航天器、空天飞行器热载荷不断提升而热耗散能力低下的严峻问题,研究水喷雾在低压闪沸工况（又称过热状态）下的雾化效果,雾化效果会直接影响到喷雾的冷却效果。首先,建立了单个液滴在低压环境下由于气泡生长、气动力造成的二次雾化（液滴破裂）模型以及沸腾传质传热模型。其次,通过拉格朗日法综合喷雾中所有液滴,利用MATLAB仿真计算不同过热度对喷雾雾化及液滴温度的影响。进而分析过热度对喷雾冷却效果的影响。计算结果表明,闪沸工况下雾化效果远优于过冷状态;液滴在闪沸工况下温度总会快速趋近饱和温度;过热度越高液滴的雾化效果越好,理论上能够带来更好的冷却效果。     

带60°肋和气膜孔矩形通道换热研究

采用非结构化网格和realizable k-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带60°肋和气膜孔矩形通道在入口雷诺数9×104,气膜孔总出流比为0.22时进行了换热特性的数值模拟.带气膜孔的壁面换热特性和实验数据吻合的很好,在此基础上,分析了其它各个壁面的换热特性.结果表明,带肋和气膜孔的通道流场非常复杂,扰流肋的存在使各壁面的换热都得到了增强,但增强幅度的差别较大.换热最强的区域并不是带肋的上下壁面,而是光滑的右侧壁面.     

狭窄空间内沸腾传热机理

通过实验观察,分析了狭窄空间内沸腾传热特征,得到表征通道宽度的Ｂｏｎｄ数存在临界值（０．６）。通道超临界和亚临界情况沸腾传热机理完全不同。对于超临界通道（Ｂｏｎｄ数≥０．６）沸腾传热是池沸腾传热和液相对流传热的叠加。亚临界通道（Ｂｏｎｄ数＜０．６）情况,加热表面被聚合汽泡和液柱周期性交替冲刷。汽泡通过加热面时,汽泡与加热面间存在一层薄液膜,这时主要通过液膜蒸发传热。液柱通过时为液相对流传热。上述模型均考虑了介质沿加热面的流动。模型预测的结果与实验值吻合良好,同时也证实了狭窄通道强化传热时存在最佳宽度与高度。     

主流湍流度对涡轮导向叶片气膜冷却特性影响的实验

采用基于窄带热色液晶的瞬态全表面传热测量技术,研究了主流湍流度对涡轮导向叶片吸力面圆柱形孔排气膜冷却特性的影响规律.结果表明:在实验工况范围内,主流湍流度从0.59%提高至6.85%,可以在气膜出流的上游区域促进气膜贴向壁面并扩大展向覆盖面积,从而改善气膜覆盖效果,但是在主流湍流度较大的工况下,气膜覆盖效果迅速变差;在气膜出流的下游区域,主流湍流度的提高使得气膜冷却效率逐渐降低;主流湍流度的增大,增强了无气膜冷却光滑叶片表面的对流换热;在气膜冷却条件下,气膜出流对叶片表面对流换热的增强效果随着主流湍流度的增大呈现出明显的区域性特点:表面传热系数比在上游区域是先增强后减弱;中游区域是逐渐减弱;下游区域则是逐渐增强.     

毛细管内部核化过程分析

针对微细结构内部的核化沸腾特性进行理论和实验研究,利用统计理论分析并且导出受热工质内部沸腾发生所需的过热度,揭示出毛细管道内部空间尺度对核化的影响。实验中,对四种工质(去离子水、甲醇、乙醇、四氯化碳)在毛细管内部的沸腾现象进行了观察和测量,结果表明理论分析与实验观测结果吻合得较好。      

底部封闭竖直细管内纳米流体的沸腾特性和临界热通量

以水-氧化铜纳米颗粒组成的纳米流体为工质, 对底部封闭细小圆管内的沸腾特性以及临界热通量进行了实验研究.结果表明:沸腾时管内纳米流体的浓度不随加热时间长短而改变, 沸腾液体的纳米颗粒除微量吸附在管壁外, 其余全部被蒸汽携带走, 同时吸附层厚度到了一定程度就不再变化.相对于纯水而言, 随着纳米浓度的增加, 纳米流体的沸腾特性有所劣化, 这主要是因为纳米颗粒吸附在管壁上, 减小了壁面粗糙度, 从而减小了液体和壁面的接触角.随着纳米浓度的增加, 纳米流体的临界热通量也随之增加.纳米流体的临界热通量不仅与管长与管径比有关, 而且还与纳米浓度有关.      

狭窄空间内沸腾的几个特征

将石英或瓷质板用电热膜技术加工成加热板。将两块加热板对称地放入饱合氟利昂－１１３（Ｒ－１１３）中形成竖直窄通道。对通道内沸腾的始沸点、流型和传热规律等基本特性进行实验研究。结果表明：始沸热流随加热板通道间距减小而降低;沸腾流型与加热过程、通道间距等因素有关;存在最佳传热通道间距;最后提出小通道内始沸热流、传热规律的半经验关系式。     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼（UDMH）液滴在四氧化二氮（NTO）氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响。结果表明：有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动。NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率。NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火。NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低。凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小。NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构。     

侧载及加热方位对槽道内临界热流密度影响

为了研究侧载以及加热方位对矩形窄缝槽道内临界热流密度特性的影响,在旋转平台上进行了两相流的超重力实验.以蒸馏水为工质,通过改变质量流速、入口温度、侧载大小以及加热方位,获得了发生临界换热现象时的质量流速、实验段压降和壁温的变化趋势,考察了侧载和加热方位对临界热流密度的影响规律,并对侧载下两相流不稳定性进行了简析.实验表明:发生临界换热时,壁温迅速上升,有效加热热流开始减少,关闭加热电源后,实验段压降下降、质量流速回升较明显;侧载以及不同的加热方位对临界热流密度有明显影响;临界热流密度发生前后,蒸汽回流导致进口温度上升,增加了流动的不稳定性.      

碳纳米管悬浮液强化重力型平板热管性能的实验

以带有微槽道强化传热面的小型重力型平板热管蒸发器为研究对象,以水-多壁碳纳米管(CNT)组成的纳米悬浮液为工质,在不同运行压力和不同悬浮液质量浓度下对热管蒸发器的沸腾换热特性以及临界热通量(CHF)进行了实验研究.研究证明:以水-多壁碳纳米管组成的纳米悬浮液可以明显地强化重力型平板热管蒸发器的换热特性.沸腾换热系数强化率和CHF强化率随压力降低而大幅度增加.悬浮液质量浓度对沸腾换热系数和CHF也有重要影响,在低质量浓度时,沸腾换热系数和CHF随质量浓度增加而缓慢增加.但是在质量浓度超过2.0%时,质量浓度的影响基本消失.      

动载对管内沸腾两相流传热特性的影响

对旋转状态下的单相水及加热单相水至沸腾的两相流进行了对比实验.通过对热耗散、流型、流阻及传热的分析与计算,研究了动载对流体流动与传热的影响.结果表明:过载强烈影响两相流动(尤其是流阻)和热传递方式,增大了流体的流阻和热损失,并削弱了流体的得热能力.动载引起的冲击交混流改变了管壁温度的均匀性和变化规律,即随着过载的增大,在一定范围内,管壁底部温度降低,顶部温度升高.