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关键词： 微通道   流动沸腾   传热机理   临界热流密度  

摘要： 本文通过查阅相关文献,分别从微通道的判别标准、流型与换热机理、流动沸腾的不稳定性、临界热流密度研究这几个方面阐述并分析了目前微通道流动沸腾的研究重点与研究现状。发现目前关于微通道流动沸腾的内在机理和工作特性的研究尚处在发展阶段,对于微通道内流动沸腾换热过程的实验现象的内在机理还存在争议,关于微通道的划分、临界热流密度的判断标准等还没有普遍的共识,仍然需要更多的研究工作来完善微通道流动沸腾理论体系。

关键词： 混合式教学   在线课程   化工原理  

摘要： 在新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情防控期间,以《化工原理》课程为例,进行了同步异步混合式在线教学模式的探索实践,结果表明该教学模式能有效提高学生的学习兴趣,取得了较好的教学效果,为今后线上线下混合式教学的发展奠定基础。

关键词： IB课程   对外汉语   中文教学   课堂管理  

摘要： B课程即国际文凭课程，是当今世界各国流行的国际性课程，是被全球教育界认可为具有较高学业水准的教育项目。课程鼓励学生成为积极、热情、理解他人、尊重差异的终身学习者，该课程分小学、中学和大学预科项目。随着中国世界影响力的增强，目前选择以汉语作为主要语言学习的IB学生人数日趋增加，对于这些学生而言，教师的教学模式和课堂管理对学生学好中文课程有着至关重要的影响。IB课程没有具体的教材和教学方法，以其领先的教育理念和独特的课堂模式，可以给对外汉语教学以及很多国内普通学校的语文课堂教学带来一定的启示和借鉴意义。

摘要： 《指南》中指出:"幼儿科学学习的核心就是激发探究兴趣,体验研究过程,发展初步的探究能力。"影子作为一种常见的自然现象,对于孩子来说却很神秘,因为它有时看得见,有时看不见;有时长,有时短;有时大,有时小;看见了却抓不着。影子真是神秘而有趣,可以激起幼儿学习的欲望与好奇心。一、课程来源户外活动时,璇璇跑过来对我说:"老师,看我能用手变一只蝴蝶。"说完她用手比划着,旁边的伊伊也跟我说她用手变了一只老鹰。看到他们在玩手影游戏,其他的小朋友也加入进来。

关键词： 临界热流密度   液膜厚度测量   电学法   液膜厚度标定  

摘要： 临界热流密度是核反应堆安全运行中的重要参数,由于临界热流密度既受到流动参数的影响,又受到沸腾传热过程中多种潜在的相互作用的不稳定机制的影响,因此至今对于临界热流密度的物理机制并没有统一的说法。液膜厚度作为临界热流密度机理研究中最重要的参数之一,其测量一直存在较大的问题。本文基于电学法进行了加热条件下液膜厚度直接测量方法的实验研究,开发出直接的液膜厚度测量方法,为探索临界热流密度物理机制提供有效的手段。电学法由于其成本低、采样频率高、适用范围广等原因,正成为液膜厚度测量的主要研究方法。本文利用多物理场仿真模拟软件COMSOL对电极对的形式、尺寸等参数进行模拟研究后,将电极设为同心圆环的形式,将发射电极的直径确定为2 mm,接收极内径确定为2.4 mm,接收极外径确定为3.2 mm。通过合理的布线,将液膜厚度测量传感器布置在印刷电路板上,形成5×6的矩阵。为避免电极对的电化学反应,发射极的激励信号为幅值±5 V,频率为100 k Hz的高频方波。液膜厚度信号的采集通过自编的LABVIEW程序和基于FPGA所设计的液膜厚度采集板卡实现,液膜信号经放大、采样保持、模数转换后通过串口输送到上位机。液膜厚度标定基于自编的程序和51单片机及步进电机实现,通过生成已知厚度的液膜来进行标定。此外,由于生产工艺等限制,每一传感器对应的特性曲线并不一致,因此需要对所有传感器都进行相应的液膜厚度标定实验,由于加热会引起实验工质物性参数的变化,本文利用多物理场仿真软件COMSOL对电导率影响最大的参数进行数值模拟后发现,实验工况范围内,电导率对信号的影响最大。最终通过利用实验工质的电导率物性测量实验得到的电导率—温度曲线来减小电导率等物性参数对液膜厚度标定和测量的影响。结合液膜厚度测量实验中的电信号曲线、电导率物性测量实验中的温度-电导率曲线以及液膜厚度标定实验获得的液膜厚度—电信号曲线,发现液膜厚度测量传感器可测量液膜厚度范围为20μm到1000μm,其中最小可测量液膜厚度为22μm,最大可测量液膜厚度为998μm。

关键词： 过冷沸腾   回转型弯道   充分发展沸腾起始点   临界热流密度  

摘要： 换热器是余热发电、制冷及热泵系统的关键设备。换热单元管中含有U型回弯等弯曲部件时,在局部曲率约束下管内存在沿程渐衰的二次流效应,导致使用现有直管、连续弯管模型预测其换热能力时会出现明显偏差。管内沸腾换热的准确预测和设计在很大程度上取决于对气泡行为的认识。过冷沸腾流动过程复杂,涉及气泡的产生、生长,离开和聚集,弯管中的流动沸腾还受到弯道二次流效应影响,因此有必要深入探究弯道对两相传热特性的影响。本文以水为研究工质,通过数值模拟客观地预测充分发展沸腾起始点的发生,预测误差控制在5%以内。一旦达到网格独立性,边界空泡份额的拐点就与充分发展沸腾起始点相吻合。壁温因壁面润滑力模型的不同而有很大差异。由其他相间力模型引起的壁温差可以忽略。因此,根据壁温确定充分发展沸腾起始点可能是不恰当的。探究相间力对沸腾影响研究中,升力对平均空泡份额的轴向分布影响在0.05以内,但对空泡份额的径向分布和充分发展沸腾起始点的确定有显著影响。湍湍流耗散力对平均空泡份额的轴向分布可产生最大0.2的误差。这些力对充分发展沸腾起始点的确定都有显而易见的影响;建议使用相间力模型的最可行组合,即湍流耗散力的Burns-et-al模型,壁面润滑力的Tomiyama模型和升力的Moraga模型,以确定流动中充分发展沸腾的起始点。采用数值模拟的手段有效预测了偏离核态沸腾发生的临界热流密度,偏差可达16%以内。偏离核态沸腾的相间力模型与核态沸腾有明显差异。当管内发生偏离核态沸腾时,上升流中壁温飞升明显,下降流壁温无明显变化。下降流的临界热流密度在热流密度、质量流速,压力的共同作用产生了不同的效果。回转型弯道对含气率分布有很大影响。曲率较小的弯管对充分发展沸腾起始点影响较小。管道平均空泡份额呈现了弯道的二次流效应及充分发展沸腾起始点对截面平均空泡份额的增加的综合作用下的结果。与直管等效加热长度的弯管内,由于流向的改变且受到弯道下游的二次流影响,壁温飞升的现象被削弱。当弯道处于恶化位置附近时,加剧了恶化现象,且弯管内临界热流密度低于直管。

关键词： 下加热   沸腾传热   临界热流密度   强制对流   纳米流体  

摘要： 核反应堆在严重事故中的RPV的散热问题一直是研究人员关注的重点,而IVR-ERVC利用沸腾传热产生的相变潜热来进行有效散热,是反应堆严重事故管理的一项重要策略,被国内外广泛关注,其中CHF作为传热恶化的标志是核安全设计中的重要参数。如何有效提升CHF是提升核安全系数的关键。本实验主要探讨了不同强制对流工况以及不同浓度的TiO2纳米流体对下加热沸腾传热的强化机理,分别搭建了实验台架,采用SS304材质的加热块作为加热设备,进行了下加热平面的沸腾实验研究。强制对流实验中,主要探讨了不同流速和入射间距对沸腾传热的影响,纳米流体池沸腾实验中主要探讨了纳米流体的浓度对沸腾传热的影响。实验结果表明:所有强制对流工况的沸腾时间都要比池沸腾工况的时间长,发生CHF时间更晚,增大入射流速或者减小入射间距都可以一定程度的增大整个沸腾过程的热流密度以及CHF,表面流场的改变是强制对流工况增强CHF的主要原因,通过高速摄像机拍摄的表面实验现象,可以明显观察到气泡的滑动以及形变。而关于TiO2纳米流体的池沸腾实验,不同浓度的TiO2纳米流体对CHF都有一定的推迟和增强作用,会随着浓度的改变而改变,存在着极大值0.005wt%,此时CHF增强了约33%。纳米流体对CHF的增强机理主要是在加热表面形成了亲水层,对液体有吸附作用,延缓了蒸汽膜覆盖的时间。通过SEM的形貌表征可以观察到表面纳米颗粒的沉积,通过接触角和表面粗糙度的测量,发现TiO2纳米粒子的沉积作用会改变接触角和表面粗糙度从而增强CHF,其中接触角的变化起主导作用。

关键词： 碳纳米材料涂层   沸腾自组装法   相变换热强化   汽泡动力学   临界热流密度  

摘要： 随着电子科技和通信行业的快速发展,5G通讯和高功率密度电子器件等的散热问题更加突出,亟需发展高效低能耗的沸腾强化换热技术。同时,强化沸腾换热技术能有效降低冷却能耗,减少冷却用电和碳排放,对实现“碳达标”和“碳中和”目标具有重要意义。大量研究表明,得益于碳纳米材料的优异导热性、化学性能和机械强度,碳纳米材料涂层技术可有效增强表面的沸腾换热性能,是一种高效的强化沸腾相变换热技术,具有较强的工业应用潜力。沸腾自组装法步骤简单、成本低廉、易于大面积制备涂层,是理想的碳纳米材料涂层制备方法。因此,本文利用沸腾自组装法制备了能有效强化池沸腾换热性能的碳纳米材料涂层表面,系统研究了不同自组装碳纳米材料涂层表面的饱和池沸腾传热特性和汽泡动力学行为,获得了实验条件下的最佳沉积参数和池沸腾换热性能最佳的表面,并且分析了碳纳米材料涂层表面强化换热机理,建立了相应的临界热流密度(CHF)理论预测模型。本文先设计并搭建了可视化高热流密度实验平台,通过数值模拟发现,在实验器件耐受条件下,该实验平台可提供的最大加热热流达近1000 W·cm-2,可以满足各种微/纳尺度相变换热实验所需的加热热流。并且进一步通过光滑铜平面的可视化沸腾换热实验研究,验证了实验平台和实验方法的可靠性。基于可视化高热流密度实验平台,利用沸腾自组装法在铜衬底上成功制备了自组装氧化石墨烯(GO)纳米涂层表面。饱和池沸腾实验发现,该表面的CHF和最大换热系数(HTC)比原始光滑铜平面分别提高了 78%和41%,且CHF随过冷度增加线性增加,但HTC呈略微下降趋势。汽泡可视化观察发现,相比于光滑铜平面,GO纳米表面汽泡脱离直径减小,脱离频率和汽化核心数增加,汽泡合并缓慢。过冷沸腾时,GO纳米表面在中、高加热热流密度区产生了微汽泡喷射现象,微汽泡的数量和喷射频率随过冷度增加而增加。进一步系统探究了不同沉积参数下GO纳米表面的换热性能,得到了实验条件下的最佳沉积热流、沉积时间和沉积浓度分别为100 W·cm-2、2.5 h和1.6×10-4 wt.%,沸腾换热性能最佳的GO纳米表面的CHF和最大HTC分别达到了 261 W·cm-2和9.1 W·cm-2·K-1。重复沸腾实验发现,最佳GO纳米表面的HTC随沸腾次数变化不大,也没有出现脱落现象,表明该表面有较好的稳定性和耐久性。不同于GO,多壁碳纳米管(MWCNTs)特有的类纤维结构使其易自组装形成多孔网络涂层,有利于HTC的提高。因此,在前期实验基础上,利用沸腾自组装法制备了不同沉积参数下的自组装MWCNTs纳米涂层表面,得到了最佳沉积浓度为4.0×10-5 wt.%,最佳沉积时间在50 min左右。利用最佳沉积参数制备了沸腾换热性能最佳的MWCNTs纳米表面,其CHF和最大HTC分别达到了 218 W·cm-2和10.7 W·cm-2·K-1,比原始光滑铜平面分别提高了 87%和73%,且起沸点(ONB)对应的壁面过热度降低了 38%。可视化观察结果发现,与原始光滑铜平面相比,MWCNTs纳米表面的汽泡脱离直径减小,脱离频率增加,汽化核心密度增加了约1.5倍,且汽泡合并更缓慢。另外,20次重复沸腾实验显示,该表面具有较好的稳定性和耐久性。对比分析发现,相比于最佳GO纳米表面,最佳MWCNTs纳米表面的CHF降低了 17%,但在相近加热热流下HTC增加了～30%。说明GO纳米片沉积形成的高导热二维层状结构涂层更有利于表面CHF的提高,而MWCNTs沉积形成纳米多孔结构涂层能使表面的HTC得到更大增强。因此,进一步制备了自组装GO/MWCNTs复合涂层表面,实验发现,其CHF和最大HTC分别达到了 230 W·cm-2和12.4 W·cm-2·K-1。表明该复合表面集合了 GO和MWCNTs两种涂层的优点,能同时使CHF和HTC得到较大增加。在相同加热热流下,其HTC相比于最佳GO纳米表面和最佳MWCNTs纳米表面的增比分别达46%和40%。此外,重复沸腾实验显示GO/MWCNTs复合涂层表面具有较好的稳定性和耐久性。为了更好地理解GO纳米涂层和MWCNTs纳米多孔涂层强化沸腾换热机理,对两种涂层的表面特性进行了表征。结合汽泡可视化结果发现,GO纳米片沉积形成的二维层状结构涂层的高热导性、表面增加的润湿性和粗糙度,以及GO纳米片边缘部分折叠形成了微/纳尺度凸起结构,共同作用使表面沸腾换热性能得到了提高。而MWCNTs沉积形成的纳米多孔涂层有效增加了表面的汽化核心密度并诱发毛细芯吸作用,同时增加了表面的润湿性和粗糙度,共同促进了表面沸腾换热性能的增强。最后,通过综合考虑各涂层表面沸腾换热性能的影响因素,分别建立了自组装GO纳米表面和MWCNTs纳米表面CHF的理论预测模型。对比发现,所有GO纳米表面和MWCNTs纳米表面CHF的预测值与实验值误差

关键词： 压水堆   流动沸腾   临界热流密度   棒束通道   格架   沸腾曲线  

摘要： 临界热流密度（CHF）与核反应堆的运行安全密切相关,其对反应堆堆芯内燃料组件的结构设计优化和热工水力现象研究有至关重要的影响。为提高反应堆燃料组件的换热效率,有必要准确地计算燃料组件中的两相流动特性和CHF值。与单相流动相比,流动沸腾过程中气液界面存在质量、动量及能量的传递。除去常规的湍流模型和网格模型外,还需对气泡的产生、脱离、聚合及冷凝等过程进行建模,气相与液相间的相互作用需要各种相间作用力来表征。此外,需借助壁面沸腾模型对加热面热流密度的分配进行描述,其中又包含多个经验性较强的辅助模型。准确模拟流动沸腾现象需对数值计算中的众多子模型进行深入研究。本文按照几何结构的复杂程度、有无考虑相变、是否预测临界热流密度等方面对国内外研究现状进行了综述。在文献调研与分析的基础上,针对现有研究的不足,以准确预测压水堆燃料组件棒束通道中的临界热流密度为目标,开展本文的研究工作。首先,针对上述研究目标,对管内过冷流动沸腾现象开展数值模拟研究。根据轴向壁面温度、主流温度及空泡份额分布对网格模型、湍流模型、壁面沸腾模型及相间作用力模型进行参数敏感性分析。给出适用于两相流动沸腾CFD模拟的推荐模型及参数设置。其次,随着热流密度的增加,流动发展至沸腾临界时模型是否依然可用尚未确认。因此,针对水和R134a两种工质,在接近压水堆工作压力的高压工况下垂直上升圆管和带格架单棒通道内开展两相流动沸腾模拟研究,验证数值模型在沸腾临界时的适用性并对各工况下的CHF值进行预测。计算结果表明,以水为工质的垂直上升圆管CHF预测值平均偏差小于11%,以R134a为工质的单棒通道CHF预测值平均偏差小于8%。本研究所采用的辅助模型组合和基于沸腾曲线来预测复杂结构CHF值的方法具有良好应用前景。最后,进一步对含定位格架的5×5规模棒束通道内两相流动及沸腾临界现象进行探究。除预测各工况下棒束通道CHF值外,提出了确定CHF发生位置的方法。结果显示CHF预测值平均偏差小于16%,沸腾临界发生位置的平均偏差小于10%。本文所采用的数值模型能较好的预测复杂结构中CHF值及其发生位置。本研究可为反应堆燃料组件热工水力特性分析提供技术支撑。

关键词： 热流固耦合   流致振动   混合对流换热   努塞尔数   理查森数  

摘要： 涉及多个钝体结构的流动与传热模型是诸多工程实际应用的基础模型,如换热器管束、印刷电路板上的电子组件、燃料电池等等。特别是换热器,涉及于石油化工、能源动力等广泛的工程领域中。为了提高换热器的热量传递效率,传热组件逐渐使用高强度的材料,换热管管壁设计得越来越薄,在受到非定常流体力的作用时会发生明显的流致振动现象。另外,换热温差导致的热浮力驱动流对流型的影响不可忽略,流型变化将对换热装置的流致振动响应和换热性能产生影响。所以,换热管振动与热流体交互作用成为换热器结构设计中必须考虑的问题。为了研究流体热浮力对管束流致振动与混合对流换热特性的影响,了解热流体与振动管道的相互作用机制,本文针对正三角形布置的三圆柱这一典型的管束排列基本结构,数值研究了热浮力作用下三圆柱流致振动与混合对流换热特性。详细分析了折减速度、来流方向和热浮力方向夹角(δ)以及理查森数对三圆柱流致振动响应、尾涡演变和换热特性的影响。本文首先研究了辅助热浮力(δ=0°)作用下正三角形布置的三圆柱横流振动响应特性与混合对流换热特性,讨论了理查森数和折减速度对各圆柱流致振动及柱群周围流场与温度场的影响。研究表明,辅助热浮力(δ=0°)作用抑制了各圆柱的振动,且对于圆柱1的振动抑制效果较圆柱2与圆柱3更强。圆柱2与圆柱3随折减速度变化出现多种振动状态。当圆柱2、3振动接近反相时,三圆柱尾流呈现并排涡。当圆柱2、3振动接近同相时,柱群尾流呈交替单涡模态。当圆柱振动被完全抑制时,三圆柱尾流呈狭长状。辅助热浮力作用下的流致振动导致圆柱1出现不同程度的换热恶化,平均努塞尔数较固定绕流最大降低4.57%。圆柱2和圆柱3的换热因振动的存在受到不同程度的增强,平均努塞尔数最高分别增加了9.74%和9.78%。由于辅助热浮力作用导致边界层未能顺利分离,三圆柱振动完全被抑制时后驻点处局部努塞尔数出现的极小值。然后对正三角形布置的三圆柱在交叉(δ=90°)热浮力作用下的流致振动和混合对流换热现象进行了研究,讨论了折减速度和理查森数对圆柱流致振动和换热特性的影响。研究发现:交叉热浮力作用下,圆柱1振幅最大值较不考虑热浮力时提高了21%。Ri=1时,交叉热浮力引发的流场不对称性导致圆柱1出现近似于驰振的现象。随着理查森数的上升,流场的不对称性加强。这削弱了圆柱2的振幅,略微加强了圆柱3的振幅,从而导致圆柱2和圆柱3振幅出现明显差距。交叉热浮力作用时圆柱2、3振动的反相区消失。当圆柱2、3趋于同相运动,三圆柱尾流呈“2S”模式。圆柱1平均努塞尔较圆柱绕流最高提高了10.42%。折减速度U≤7时,流致振动引发圆柱2换热恶化,随着折减速度升高,换热逐渐得到强化。受振动影响圆柱3的换热较固定绕流受到不同程度的恶化。在Ri=1、U=10时,圆柱3换热恶化最为严重,平均努塞尔数降低了9.08%。由于交叉热浮力产生的流动不对称性,圆柱1在0°≤θ≤180°的表面上的局部努塞尔数高于180°≤θ≤360°的表面。最后,本文针对反向热浮力(δ=180°)作用时正三角形布置的三圆柱横流振动响应特性与混合对流换热特性进行研究,并与辅助(δ=0°)、交叉(δ=90°)热浮力作用下的柱群振动及换热特性进行对比,分析折减速度、理查森数和热浮力方向对三圆柱流致振动与混合对流换热特性的影响。研究结果表明:受反向热浮力影响,各圆柱最大振幅明显加强。反向热浮力作用时,存在临界折减速度使得圆柱2、3振动同相,但是此临界折减速度较交叉和辅助热浮力作用时要小。Ri=0.25时,发现圆柱2、3反相振动的区域,随着理查森数增加,振动反相区消失。虽然理查森数上升伴随着温差而增大,但是固定圆柱和振动圆柱努塞尔数仍随着理查森数升高而下降。圆柱固定时,在Ri=1时较Ri=0.25时圆柱1、2、3平均努塞尔数分别下降了3.15%、13.25%和12.94%。换热恶化现象也在振动三圆柱中观察到,但是在高折减速度时(U≥10)这种现象得到缓解。在折减速度U=12时,圆柱1、2、3的平均努塞尔数在Ri=1时较Ri=0.25时分别增加了5.02%、5.05%和4.54%。反向热浮力作用时理查森数增加会导致圆柱迎流面换热减弱,后驻点处换热增强。