微重力池沸腾传热研究

对利用中国返回式卫星搭载开展的两次微重力池沸腾空间实验及地基常重力和落塔短时微重力实验的结果进行了评述. 研究发现微重力时丝状加热器沸腾传热会略有强化, 而平板加热器则在高热流条件下明显恶化. 微重力时, 气泡脱落前存在沿加热面的横向运动, 加剧了相邻气泡间的合并, 合并气泡会在其表面振荡作用下从加热面脱落. Marangoni 效应对于微重力气泡行为有重要影响.     

基于流动沸腾气泡脱落行为的重力无关性分析

在流动沸腾现象中,气液两相密度差异导致重力对流动和传热性能产生很大影响,因此重力效应研究对于流动沸腾的航天应用具有重要意义.在对Bower-Klausner-Sathyanarayan重力无关准则（BKS准则）分析的基础上,提出其判据存在理论缺陷,不能正确反映重力效应.采用与BKS准则相同的气泡脱落模型,但忽略气泡沿加热管壁的滑动效应,重新计算常重力条件下不同流动方向起始沸腾阶段单气泡的脱落尺寸,归纳得到一个新的基于Fr（Froude数）的重力无关准则.该准则与实验结果符合更好,且与主导作用力准则基本相符.     

孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究

利用中国科学院国家微重力实验室北京落塔提供的3.6s微重力时间开展了短时微重力条件下的池沸腾实验研究, 分析了微重力条件下孤立的单个气泡生长过程特征. 实验中采用掺杂磷的N型光滑硅片作为加热面(加热片尺寸10mm×10mm×0.5mm), 以含气率0.0046 (气液摩尔分数比)的FC-72作为工质, 利用恒流源对加热片通电加热. 通过对实验观测到的单个气泡生长图像及相应传热数据分析可知, 经典传热机制控制的气泡生长模型可以描述其早期特征. 相关模型中经验参数的拟合结果在文献报道的数值范围内, 表明重力对气泡生长早期影响较小, 但较大的气泡尺寸可以提供更准确的数值结果.     

微气泡发射沸腾形成机理

为了探究具有超高换热性能的微气泡发射沸腾现象的形成机理,采用FLUENT软件对加热面上单个气膜周围的速度场进行数值模拟,并与实验结果进行对比.实验结果表明,对于水,微气泡发射沸腾现象发生时,加热壁面上会出现气膜破裂的过程,并且过冷度和壁面过热度的升高会加剧这一过程.对于酒精,微气泡发射沸腾现象很难发生.计算结果表明,在过冷条件下气膜周围存在marangoni对流,对于水而言,过冷度和壁面过热度的升高会增强气膜周围的marangoni对流过程,而在酒精气膜周围 marangoni对流相对较弱.因此由气膜周围强烈的marangoni对流过程引起的气液界面上的扰动可能造成气膜破裂,这可能是微气泡发射沸腾现象形成的原因之一.      

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.      

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响,通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明,低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾,气泡生长合并过程缓慢,仅大芯片表面气泡脱落,并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾,气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片,脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径,进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时,小芯片处于膜态沸腾状态,沸腾换热显著恶化;而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此,增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离,提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上,虽然进入膜态沸腾换热状态,但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移,从而缓和了芯片温度上升速率.     

微重力池沸腾中的气泡行为实验研究

采用图像分析方法,对实践十号返回式科学实验卫星沸腾气泡实验项目获得的微重力单气泡过冷沸腾实验图像进行研究,提取并分析了微重力条件下单个气泡的生长过程.实验中观察到气泡激发形成、稳定黏附生长和滑移三个阶段,其中气泡稳定黏附生长又可分为底部扩张与回退两个子阶段.在气泡稳定黏附生长的底部扩张子阶段,气泡半径可以表示为时间的指数函数,时间指数从初期小气泡时的0.42减小到中期的0.28,最终趋于0.气泡尺寸在气泡底部收缩之初略有回调,随后再次缓慢增大,直到过冷液体完全侵入气泡底部,使气泡与加热面脱离,并在外界扰动作用下在加热面上滑移.相关数据可以作为沸腾现象中气泡热动力学分析的依据.     

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。     

微尺度沸腾的团聚过程分析与压力扰动模型

本文从团聚(clustering)的分子动力学过程出发,研究微尺度沸腾相变的物理机制。通过分析沸腾系统势能变化趋势,指出核化阶段必然伴随团聚体积的增加,从而导致压力扰动的产生。在微尺度条件下,这种压力扰动将可能主导沸腾系统的相变行为。      

常重力及微重力下液氢膜态沸腾换热预测

以液氢膜态沸腾换热为对象,收集并分析文献中涉及液氢膜态沸腾换热的实验数据。通过充分的对比研究,考核3种典型关系式针对液氢膜态沸腾换热预测的适用性与预测精度,建立可预测微重力下液氢膜态沸腾换热热流密度的数学关系式。研究发现:在地面重力下,加热面几何结构、朝向似乎不会对沸腾换热热流密度产生明显影响,均可采用Breen & Westwater公式预测其传热系数;而重力水平会对膜态沸腾换热产生较大影响,且不同重力下换热热流密度之比与重力比之间满足幂指数的关系;依据该关系式可以求解微重力下液氢的膜态沸腾换热热流密度,预测误差控制在15%以内。