沸腾换热在水卡式大热流传感器研制中的应用

为了实现MW级热流环境的长时间稳态测量,研制了一种新型结构的水卡式大热流传感器。该传感器采用U型水冷通道结构,基于沸腾换热理论进行换热设计,设计量程5~15 MW/m~2。在高温超声速燃气流试验台上进行了热流测试试验,实际测试量程3~25 MW/m~2。沸腾换热理论的应用可以在较小的水流速下实现MW级热防护,大大降低了设计难度。新型结构传感器相对传统的中心冲击结构换热效率更高,可实现的量程范围更大。     

不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究

对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟. 采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献, 而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理. 气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画. 计算结果表明, 气泡生长过程中, 当量直径近似与生长时间的1/3～1/2次方成正比, 重力对相关趋势的影响不大, 但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间, 其中脱落直径反比于重力的1/3次方, 生长时间反比于重力的4/5次方. 在固定的核化点数密度条件下, 加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比, 该趋势并不随重力的减弱而改变.      

过载环境下水平管内水的流动沸腾特性

利用地面离心旋转台实验研究了不同过载环境下水在1.8 mm内径水平管内流动沸腾的摩擦压降特性.实验工况为过载加速度1.00g～3.16g,质量流速为230、330 kg/(m2.s),热流密度为102、141 kW/m2,干度为0.07～0.58.结果表明:不同过载环境、干度、热流密度和质量流速对水的摩擦压降均有影响....     

微细丝上气泡射流间的相互作用特性

实验考察微细加热丝上气泡射流间的相互作用现象,发现相邻气泡射流间的相互吸引现象,强相互作用时多股射流可以合并成一股射流.分析揭示出气泡射流间相互吸引的物理机制在于,气泡生长造成局部温度下降导致相邻气泡两侧的热毛细力不均衡,进而引起两个气泡射流间的相互吸引,而相邻气泡则有互相远离的趋势.利用数值模拟给出了气泡射流系统的温度场和流场,很好地验证气泡射流间相互吸引的物理机制.      

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.      

池沸腾现象中热毛细对流的成因

针对微重力条件下单组份液体池沸腾现象,探讨了有关热毛细效应作用及其成因的不同观点,指出正确描述气液相变界面两侧的温度关系是解决争议的关键.详细评述了现有的气液相变界面温度模型,发现气液相变的非平衡特征会导致气液界面上产生温度梯度,引起表面张力的显著差异,从而驱动热毛细对流的形成.但现有气液相变界面温度模型机理差异迥然,预测结果也差别很大,因此,需要更深入研究.      

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。      

池内过冷核沸腾表面活化核心密度的研究

为研究在过冷沸腾条件下的加热表面的活化核心密度尺度分布是否具有分形特征,运用核态沸腾换热机理模型对不同过冷度下的4种不锈钢换热表面的活化核心密度进行了预测.结果表明:对于特定的沸腾表面,过冷度不影响活化核心密度曲线的形式,预测曲线与作者提出的加热表面活化核心密度的分形描述相一致,从而进一步证明了该结论具有普遍性.     

微重力下高热流时池内双组分核态沸腾

本文基于Helmholtz不稳定性原理建立了微重力下双组分高热流时核态沸腾的双层汽泡结构模型。由于浮力很小,这种结构能维持到CHF状态。通过对该结构的深入分析,导得了汽柱面积占总面积的百分比及液体层初始厚度的表达式,在此基础上发展了CHF模型。分析结果同实验结果及地面条件下的结果作了比较,对异同之处作出了合理的解释。      

锈层对过冷沸腾换热影响的实验及数值研究

针对锈层对过冷沸腾换热冷却效果的影响，本文进行了理论分析、实验研究和仿真校验。首先结合经典的过冷沸腾换热理论，分析了锈层对冷却效果影响最大的几个因素。然后进行了一组夹套内壁生锈和未生锈两种情况下冷却效果的对比实验。实验发现，内壁生锈造成入口段温度大幅升高，且温升沿流道方向递次减小。接着分析了造成该现象的几大因素，推断锈层影响了流态进而抑制了沸腾换热机制是最主要的因素，并对不同入口流态下管内沸腾换热进行数值仿真，校验了上述分析结果。最后，根据研究结论，对过冷沸腾换热中易生锈或类似的粗糙内壁槽道的设计方法提出了建议。