傾斜與搖擺條件下過冷沸騰汽泡行為研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源緊缺日益突出。這促使具有高效換熱能力和節(jié)省空間優(yōu)點(diǎn)的矩形窄通道在各種換熱設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)矩形通道應(yīng)用于海洋條件時(shí)，因受到海浪，海風(fēng)等作用，其內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱特性將會(huì)出現(xiàn)與常規(guī)陸基狀態(tài)截然不同的特性。這吸引了眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。然而，這些研究主要集中在宏觀上的阻力與換熱方面。對(duì)于窄通道內(nèi)的汽泡行為研究還很匱乏，無法從微觀的角度認(rèn)識(shí)海洋條件對(duì)窄通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性的影響。為彌補(bǔ)這一缺陷，本文

2、以水為工質(zhì)，在單邊加熱矩形通道內(nèi)，通過可視化的方式對(duì)其中的汽泡行為在海洋條件下的變化予以實(shí)驗(yàn)研究。
　　因汽泡行為在時(shí)間尺度上的量級(jí)，實(shí)驗(yàn)中涉及的汽泡圖像與參數(shù)數(shù)量都頗為巨大。作者結(jié)合實(shí)驗(yàn)方式與圖像特點(diǎn)，總結(jié)相應(yīng)的圖像預(yù)處理流程。為獲得單汽泡行為的時(shí)序變化，在相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，參考光流算法的思想，文中提出以汽泡坐標(biāo)疊加軌跡區(qū)分核化點(diǎn)，并結(jié)合PIV/PTV測(cè)序的方法，構(gòu)建了適用于窄通道內(nèi)汽泡行為參數(shù)測(cè)量的處理方法。在該方法的基礎(chǔ)上，

3、作者對(duì)豎直、傾斜和搖擺三種工況中汽泡群行為與單汽泡行為兩方面內(nèi)容進(jìn)行了研究。
　　汽泡行為中主要涉及汽泡數(shù)量密度，平均直徑與體積空泡份額三方面。其中，汽泡數(shù)量密度與平均直徑在豎直工況中均隨入口溫度，熱流密度的增加與質(zhì)量流速的降低而增加。在傾斜工況中，汽泡數(shù)量密度隨角度的增加呈下降趨勢(shì)，而平均直徑則呈上升趨勢(shì)。搖擺周期對(duì)兩者的作用并不明顯，而角度的增加則僅擴(kuò)大了波動(dòng)幅度，對(duì)平均數(shù)值沒有影響。時(shí)均體積空泡份額在當(dāng)前的工況參數(shù)下與傾斜角

4、度和搖擺參數(shù)未表現(xiàn)出明顯的關(guān)聯(lián)。與汽泡數(shù)量密度和平均直徑的比對(duì)說明空泡份額的變化形式由平均直徑?jīng)Q定。數(shù)量密度與平均直徑在不同熱工參數(shù)下的波動(dòng)形式造成了空泡份額在搖擺運(yùn)動(dòng)中的正弦、方形與無規(guī)則三種波動(dòng)形式。
　　在汽泡演化方面，研究表明：低壓工況中，汽泡在核化點(diǎn)處完成生長(zhǎng)，達(dá)到最大直徑后隨即進(jìn)入冷凝階段直至消失，期間稍有滑移（不超過數(shù)個(gè)直徑）；高壓工況中，核化汽泡僅在核化點(diǎn)處經(jīng)歷短暫生長(zhǎng)，隨后脫離進(jìn)入滑移增長(zhǎng)階段。低壓工況中的汽泡生

5、長(zhǎng)-冷凝曲線可采用修正后的Akiyama關(guān)系式預(yù)測(cè)，其經(jīng)驗(yàn)系數(shù) K和N在當(dāng)前的工況參數(shù)下分別修正為2.14和0.68。作為關(guān)鍵參數(shù)的最大直徑和壽期在傾斜工況中，兩者隨傾斜角度的增加而增加。搖擺周期的改變對(duì)兩者沒有顯著影響，而搖擺角度增加則兩者增加。考慮到主流與汽泡相互作用的影響，本文分別引入無量綱參數(shù)Re數(shù)和Bo數(shù)，建立適用于當(dāng)前工況參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式用以表示汽泡最大直徑與壽期。與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比表明該關(guān)系式可分別在±25％和±30%的誤差范

6、圍內(nèi)預(yù)測(cè)汽泡最大直徑與壽期。同時(shí)，本文也給出了關(guān)系式關(guān)聯(lián)兩者。
　　實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，質(zhì)量流速增大，汽泡脫離直徑大幅下降。而增加熱流密度與入口溫度，汽泡脫離直徑則為上升趨勢(shì)。傾斜條件下，傾斜角度的增加促進(jìn)了汽泡生長(zhǎng)，使得脫離直徑隨之上升。搖擺工況中，脫離直徑與搖擺曲線呈同相、同周期的正弦波動(dòng)。搖擺周期的改變對(duì)脫離影響很小，可略去不計(jì)。而搖擺角度的增加則增大了脫離直徑的波動(dòng)幅度。同時(shí)通過受力分析討論了搖擺工況中的脫離直徑的參數(shù)趨勢(shì)。

7、結(jié)果表明，搖擺作用對(duì)脫離直徑?jīng)]有可觀測(cè)的影響（波動(dòng)范圍<1%），而流量與汽泡生長(zhǎng)率的波動(dòng)則會(huì)引起脫離直徑的顯著變化，并呈同相、同周期的正弦波動(dòng)形式。實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量值指出流量在強(qiáng)制循環(huán)中因驅(qū)動(dòng)壓頭抑制并未產(chǎn)生較大的波動(dòng)（<5%）。因此，在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的汽泡生長(zhǎng)率變化是脫離直徑在搖擺和傾斜工況中出現(xiàn)變化的主導(dǎo)因素。
　　脫離頻率在豎直工況中表現(xiàn)為隨熱流密度質(zhì)量流速與入口溫度的增加而增加，隨傾斜角度的增加則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。搖擺工況中，脫