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。     

基于OpenFOAM的真实流体模型库及均相求解器开发

为了正确认识高压环境下的流体非理想性特征,及其对于低温射流喷雾过程的影响作用,将多种不同真实流体模型写入到开源CFD程序OpenFOAM仿真平台中,编译形成具有广泛通用性的真实流体热物理模型库;并将高压下真实流体特征的影响引入到压力修正算法中;开发出适用于描述超临界环境下低温流体流动过程的均相求解器。对高压下流体热物理性质的非理想性,以及超临界环境下的低温液氮射流喷注过程进行研究。结果表明:高压下的真实流体效应主要体现在低温区域,本文所建立的模型库可以在任意热力学状态范围内正确预测流体热物性;基于此模型库所开发的均相求解器可正确预测超临界环境下低温射流的详细流动特征和结构,而理想气体模型则会大幅低估射流核心区密度分布,中心线上误差高达68.9%;综合考虑计算精度和效率,PR EoS及相关模型更适合于这类超临界流动问题的求解;低温射流跨临界喷注中局部区域所发生的虚假沸腾现象会导致射流温升速率降低、体积膨胀速率加快;射流核心区压缩因子明显1,在数值仿真时必须考虑高压环境下的真实流体效应。     

R141b在圆形微通道内的沸腾换热实验研究

为提高换热强度、解决设备内部高热流密度散热问题,采用实验方法研究R141b在不同直径(D=0.5mm和1.0mm)水平圆形微通道内的沸腾换热特性,分析了热流密度(q=2.0kW/m~2～47.6kW/m~2)、质量干度(x=0～0.6)、质量流速(G=111.11kg/(m~2·s)～333.33kg/(m~2·s))的变化对平均传热系数h的影响,探究不同情况下影响沸腾换热的主导因素。实验研究表明:平均传热系数h随热流密度q的增加而减小,在不同范围内减小速率有明显差异;热流密度q=2kW/m~2～5kW/m~2时质量流速G对平均传热系数h影响较明显,热流密度较高时质量流速G对换热影响很小;在质量流速G=111.11kg/(m~2·s)～333.33kg/(m~2·s),质量干度x0.3时,平均传热系数h随质量干度x增加而明显下降,在设计微通道换热器时应尽量使R141b处于初始沸腾阶段以获得更好换热效果,并采取一定措施预防干度过高引起的换热恶化。     

锯齿扁管内沸腾换热试验

建立以等热流密度方式进行试验件加热的沸腾换热试验系统,分别对当量直径为1.28mm和1.59mm锯齿扁管内R134a工质的沸腾换热特性进行研究,试验参数范围:制冷剂质量流率为68.5~305.5kg/(m2·s),工作饱和压力为0.27~0.46 MPa,加热热流密度为9~42kW/m2。试验结果表明:相同结构的通道,当量直径小换热能力更强;热流密度和饱和压力对沸腾换热的影响与一个干度值有关。当干度小于此值时,沸腾换热系数会随着热流密度及饱和压力增大而增大;而当干度大于此值时,沸腾换热系数随着干度增大而急剧下降,热流密度和饱和压力对换热的影响较小;该干度值会随着热流密度或饱和压力增大而逐渐变小。质量流率对沸腾换热的影响与热流密度有关,随着热流密度增大,质量流率的影响趋向大干度区域。通过分析各参数对沸腾换热的影响,建立了一个预测试验工况下微小尺寸锯齿扁管的沸腾换热系数计算经验公式。     

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.      

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.      

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.      

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.      

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....