加熱表面上氣泡傳熱及動力學特性的LBM模擬.pdf

1、氣泡的運動、變形長大是氣液兩相流及傳熱傳質領域中十分重要的現象，對氣泡傳熱及動力學特性的研究也是氣液兩相流及傳熱傳質領域的重要課題。一般來講，根據所處環(huán)境的不同，氣液兩相流可以分為等溫和非等溫系統(tǒng)。在等溫系統(tǒng)中，壓力主導氣液界面的非穩(wěn)定變形，不涉及相變。而在非等溫系統(tǒng)中，相變主導氣泡變形且伴隨界面處的傳熱傳質。氣泡現象在自然界和工業(yè)生產過程中廣泛存在。例如:制冷系統(tǒng)中制冷劑的循環(huán)過程;液壓系統(tǒng)的氣穴現象;天然氣的開采和運輸以及沸騰現象等

2、。研究氣泡動力學特性和傳熱傳質機理有助于工業(yè)設備的設計及操作。因此，對氣液兩相流及傳熱傳質的研究受到越來越多的重視。
　　格子Boltzmann方法作為一種新興的數值方法，具有并行能力強，物理圖像清晰，邊界條件易處理等諸多優(yōu)點。因此，在氣液兩相流問題的研究上體現了較大的優(yōu)勢和很強的適應性。本文以氣液兩相流為研究對象，應用格子Boltzmann方法，對氣泡分別在等溫和非等溫環(huán)境中的動力學特性和傳熱傳質機理進行數值模擬研究。所獲結果不

3、僅為格子Boltzmann方法在兩相流領域的應用進行了一些探索，也為相關領域的理論和實驗研究提供了有意義的參考。
　　首先，為了驗證格子Boltzmann方法用于研究等溫系統(tǒng)氣液兩相流的適用性，基于自由能模型，模擬了氣泡群在黏性不可壓縮流體中的上升過程。由于氣液密度比過大容易造成數值不穩(wěn)定問題，本文采用精度更高的八點差分和十八點差分格式以避免產生數值震蕩。在此基礎上對氣泡群的流動特點和相互作用規(guī)律進行數值研究。模擬結果表明氣泡之間

4、的影響程度不僅取決于相對位置和距離，還取決于相對體積的大小。另外，鑒于自由能模型在處理界面時的特點，該方法可以向非等溫系統(tǒng)的氣液兩相流推廣應用。
　　為了進一步研究格子Boltzmann方法的傳熱模型，本文對單相流體在三角形和矩形結構表面的流動特性和換熱特性進行了數值研究，探索格子Boltzmann方法在解決傳熱問題中的可行性。通過對流場的平均溫度、出口溫度和壁面平均Nu數的比較發(fā)現，矩形結構表面具有較好的對流換熱性能。在場協(xié)同原

5、理基礎上對該結論進行分析。數值結果不僅證明了格子Boltzmann方法適用于研究對流換熱問題，還為等溫兩相流推廣到非等溫系統(tǒng)的研究奠定基礎。
　　聯(lián)合上述自由能模型和熱模型，可以構造一個能夠描述相變的格子Boltzmann復合模型，本文應用該模型對蒸汽泡在水平和豎直加熱表面上的行為機理進行了數值研究。詳細地討論了不同沸騰狀態(tài)下氣泡的動力學特性及傳熱傳質機理。模擬結果表明，當水平壁面發(fā)生核態(tài)沸騰時，微對流對氣泡的生長過程起到非常關鍵

6、的作用。當水平壁面發(fā)生流動沸騰時，熱量主要以核態(tài)沸騰和強制對流的方式傳遞。對多氣泡在豎直壁面上生長過程的研究表明，過渡沸騰是一個膜態(tài)沸騰和核態(tài)沸騰在加熱壁面上交替進行的過程。對氣泡脫離直徑和脫離頻率的研究呈現了正確的參數關聯(lián)。
　　借鑒二維模型處理氣液相變時的思路，本文提出一個新的三維格子Boltzmann相變模型。應用新模型在三維條件下模擬了單氣泡和雙氣泡在水平壁面上生長、融合及脫離的過程，并與實驗結果比較。數值結果準確、清晰地

7、展現了沸騰過程中氣泡的動力學特性，證實了新模型模擬沸騰現象的準確性和可行性。
　　最后，利用格子Boltzmann方法在處理復雜邊界時的獨特優(yōu)勢，對氣泡在不同結構的強化表面上的生長過程及傳熱傳質機理進行數值研究。詳細討論了氣泡當量直徑、脫離頻率以及平均Nu數對沸騰過程中氣泡動力學特性和傳熱傳質的影響。數值結果表明，T型強化表面具有最好的換熱性能;而水平壁面具有最低的換熱性能。在此基礎上，分析了強化表面能夠增強核態(tài)沸騰熱傳遞的原因。