传热学-文献订阅-重庆大学图书馆

陈景祥

浙江大学

摘要： 两相流动传热不仅包含了液膜的单相流动传热过程和汽-液两相相变潜热的传递过程,还有其他的复杂物理过程,比如汽泡生成、合并等。宏观尺度的强化必然带来传热表面积的增加、单相流动和热边界层的混合,而微观尺度的强化则直接指向相变传热的机理——汽泡生成、长大和脱离的规律或者凝结液膜的排液效应、传热表面的润湿特性等。本文的研究目的是,在水平通道的两相流动传热过程中结合宏观尺度和微观尺度的强化传热方式,突破单一强化特征的强化传热瓶颈。本文的主要研究内容是,通过搭建高精度的两相流流动传热实验台,以光管、2EHT-1和2EHT-2三维双侧复合强化管为研究对象,观察和研究水平通道内R410A制冷剂的流动沸腾和对流冷凝传热过程的基本物理现象和传热系数随质量流速、干度、重力和剪切力之间相对大小、壁面温度和热流密度等主要参数的变化关系;分析饱和相变流动传热过程中干度、质量流速以及表面特性对局部流型转变的影响。笔者首先对两相流的强化传热技术和各热设计领域所面临的问题进行了比较全面的综述。从研究和应用现状的分析中发现,只有不断提高强化传热的技术手段才能适应高热流、高负荷的传热需求;饱和相变传热因传热系数高、均温特性好被广泛的应用在各个领域,但是依然有许多急需解决的问题存在于饱和相变传热研究之中。为此,笔者搭建了高精度的水平管内蒸发、冷凝流动传热实验台,采用拥有自主知识产权的数据采集软件实时地观测不同的实验工况,系统性地研究光管、2EHT-1和2EHT-2三维双侧复合强化管管内蒸发、冷凝的流动传热特性。对流冷凝和流动沸腾实验均采用R410A制冷剂为相变工质,进出口的干度变化范围均为0.2.9。对流冷凝实验的热流密度范围为10.556.66 kW/m,质量流速范围为8060 kg/(m s),饱和温度设定为40℃;流动沸腾实验的热流密度范围为17.883 kW/m,质量流速范围为8060 kg/(m s),饱和温度设定为10℃。实验测量的传热系数结果和摩擦压降结果均和现有的关联式进行了详细的对比。综合能效评价的结果显示:1)小流量冷凝工况时,综合能效因数PF随着质量流速的增加而增加;当G50时,PF因子趋于稳定值1.16;2EHT-2强化管的PF因子略高于2EHT-1强化管。2)流动沸腾的综合能效因子PF均随着质量流速的增加基本线性增加;并且2EHT-2强化管的综合能效因子要高于2EHT-1强化管,最高能达到1.44。在得到平均传热特性的规律后,开展了测试管壁温的直接测量实验。全面地研究了干度分布、质量流速、热流密度和传热壁面温度对局部冷凝和蒸发传热系数的影响。实验测量结果与12个传热和压降关联式的预测值进行了对比分析。对比结果表明现有的关联式模型的局部传热系数的预测结果仅与光管吻合度高。因此,针对2EHT-1和2EHT-2三维双侧复合强化管的局部传热特性拟合出了预测精度更高的传热关联式。实验测量的结果表明,三维双侧复合强化表面对R410A制冷剂流动沸腾和对流冷凝具有较好的强化作用,具体体现在:1)对流冷凝工况时,壁温随着干度的降低而降低,2EHT-2强化管在高干度区域的壁温相对于光管最大下降了4.6℃;2)在高质量流和高干度区域,2EHT-2强化管对冷凝传热的效果是光管的1.58倍;3)流动沸腾工况时,在高干度和热流密度区域,强化管的壁面过热度平均比光管低2℃。此外,在常规大通道中引入微纳结构的表面强化特征对管道内冷凝压降影响不大,而流动沸腾的摩擦压降对这种表面强化比较敏感。热流密度对流动沸腾传热系数的影响分为两种:在临界热流密度之下,传热系数随着热流密度的上升而上升;超过临界热流密度值后,传热系数随着热流密度的上升而急剧下降。实验测量数据进一步表明,2EHT-1和2EHT-2三维双侧复合强化管中引入的微细结构的花纹状强化特征能够一定程度的提高流动沸腾的临界热流密度值。基于局部传热实验结果,本文得出强化两相流强化传热的方式有:1)由于水平管内蒸汽凝结加快导致液膜厚度升高,反过来增加了凝结换热热阻,因此强化冷凝传热的重要手段是提高壁面疏水特性以及凝结液膜的排液效应;2)提高强化流动沸腾传热系数的方法主要分为两类:一类是利用粗糙表面处理技术提高表面的亲水特性,使得同一液膜厚度润湿的传热比表面积增大(如具有毛细通道的金属涂层表面);其二是高质量流速下提高表面有效汽化核心密度。

“高校教师教学能力与综合素质提升”网络课程学习总结

杜杨

安徽广播影视职业技术学院

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表面特性对淬火过程冷却速率及沸腾传热影响的微观机理研究

李佳琦

浙江大学

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关键词： 淬火沸腾传热过渡沸腾传热临界热流密度最小热流密度浸润性芯吸性纳米流体

摘要： 淬火冷却过程作为解决高热流密度冷却问题的主要手段,被广泛应用于金属热处理以及核燃料堆芯安全等领域。淬火冷却过程中伴随的沸腾传热特性直接决定了淬火冷却效率。本文对不锈钢球体和柱体两种形状在淬火冷却过程中的沸腾传热和汽膜动力学特性进行了实验研究。主要通过纳米流体、物理喷涂、气相沉积、等离子清洗以及化学刻蚀的方法在表面制备微纳结构,从而调控表面的粗糙度、浸润性和芯吸性等特性,并进一步研究了表面改性对淬火沸腾过程尤其是膜态沸腾和过渡沸腾阶段的影响规律。首先选取了不同长度和直径的碳纳米管制备碳纳米管纳米流体,并在其中进行连续淬火以定向改变碳管沉积后表面的孔隙结构,研究表面孔隙结构对沸腾传热的影响。实验结果发现淬火速率在所有种类的碳纳米管纳米流体中都得以提高,且淬火时间会随着淬火次数的增加而逐渐缩短。另外,淬火速率的提高与沸腾传热强化有关,不同的碳纳米管纳米流体均表现出临界热流密度(CHF)和Leidenfrost点(LFP)增长的趋势。碳纳米管的尺寸会影响沉积的效果,实验发现长度较长且直径较大的碳纳米管沉积过程中更易形成高孔隙率的沉积层,这些多孔层能够更好地芯吸周围液体润湿表面从而强化沸腾传热,在该类纳米流体淬火过程中,CHF增长最为显著,达到56%,同时淬火时间也缩短了约53%。淬火冷却过程中CNT在表面上的沉积是影响淬火和沸腾传热的主要因素。由于沉积前后表面浸润性并无明显变化,而粗糙度的变化和沸腾传热强化有很高的相关性,因此沉积过程中粗糙度的增加和表面微观形貌的改变尤其是多孔层的出现可能是淬火加速和沸腾传热增强的主要原因。之后通过制备超亲水、亲水、疏水和超疏水四种典型的浸润性表面,研究了表面浸润性对淬火冷却过程中沸腾传热的影响。实验发现随着表面浸润性的提高,淬火速率和CHF逐渐增大。与原始表面相比,超亲水表面的CHF增大了约78%,而且由于超亲水表面极端的亲水性,蒸汽膜极度不稳定,在实验的过热度范围内(650°C)并没有形成稳定汽膜,淬火初始的过渡沸腾阶段根据固液接触模型不同分为过渡膜态沸腾和过渡核态沸腾两个子阶段。而表面疏水性质的增强使蒸汽膜更加稳定,对于超疏水表面来说,LFP和CHF消失,整个淬火沸腾均处于膜态沸腾阶段。实验过程中所得的膜态沸腾传热的Nu数和汽膜厚度与理论预测值之间表现出极好的一致性。为进一步研究不同浸润性表面的沸腾传热特性,本文同时研究了球体和柱体两种形状的表面浸润性与液体过冷度的耦合作用对沸腾传热以及汽膜演化过程的影响。表面浸润性和液体过冷度的提高均能增大淬火前端的传播速度,提升淬火速率。当过冷度为50°C,超亲水柱体表面的淬火前端传播速度为32.6 mm/s,与饱和状态下原始亲水表面3.6 mm/s的传播速度相比,提高了约800%。CHF也因此得到显著提高,同样在过冷度为50°C,超亲水柱体表面的CHF约为2475 kW/m,与原始亲水表面饱和状态时的400 kW/m相比,强化了约519%。而对于球体表面,在最高过冷度(70°C)时,与原始亲水表面相比CHF强化了约508%。超疏水表面在过冷液体中同样始终维持膜态沸腾状态,在沸腾初始阶段(表面过热度为200°C)时,热流密度相对于饱和状态强化了约400%,之后本文根据现有超疏水膜态沸腾的数据修正了原有理论预测模型。最后本文通过化学刻蚀以及CNT沉积的方式制备了具有芯吸性梯度的芯吸性超亲水表面(芯吸表面)和芯吸性亲水表面(半芯吸表面),并研究了芯吸性对淬火冷却过程中沸腾传热的影响。表面的芯吸特性能够改变过渡沸腾阶段的固液接触模式,延长过渡膜态沸腾子阶段,并提高两个子阶段临界过渡点(CTP)的出现位置,强化此点过渡沸腾传热(THF),THF最高强化了约656%。定义了表征沸腾过程中芯吸表面液体润湿周围干燥区域能力的无量纲参数We*,并建模定量分析了We*和CHF以及THF强化的直接线性关系,阐释了芯吸性表面强化淬火沸腾换热的机理。

多层次复合微纳表面结构超汽化强化换热实验研究

王琳琳

中国科学技术大学

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关键词： 多层次复合结构表面汽化核心过冷沸腾临界热流密度换热

摘要： 提高过冷沸腾换热效率及临界热流密度对增强聚变堆面向等离子体部件抗热疲劳和冲击性能具有重要的工程意义。通过真空钎焊的方法,将微结构的金属网与纳米尺寸的金属粉末结合从而在过冷沸腾换热表面生成微纳米多层次复合结构。对比采用不同规格网格制备的表面与光滑表面的微观形貌特征,发现所采用处理工艺成功地在材料表面形成了凹状空穴、孔隙结构、类纳米柱体等不同尺度的三层次复合微纳米结构。与水的接触角测量显示,复合结构表面在保持原表面亲水性同时,在一定程度上降低了对水的浸润性。进一步通过微距摄影观测表明复合结构表面气泡生成密度均大幅度高于光滑表面,较细的网格尺度更显著,但小于120微米后增加不明显。通过高热流综合实验平台,进一步对光滑面以及微纳米化换热表面管道进行过冷沸腾换热性能实验,定量地对微纳米化表面的换热性能进行测试。并补充微纳米化换热表面与翅片结构换热表面的换热效果对比。分析发现,复合表面会诱导复杂的流动不稳定性,在增加汽化核心的同时有效避免过早形成气膜,对提高临界热流密度有利。多层次复合微纳结构表面的临界热流密度至少比光滑面高80%,其换热效果明显优于光滑面和传统型翅片结构表面。研究结果可为开发更先进的聚变堆面向等离子体部件换热技术提供参考。

基于拉格朗日—欧拉法的环状流模拟及干涸型临界热流密度预测研究

徐海淞

上海交通大学

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关键词： 拉格朗日-欧拉方法干涸临界热流密度双向耦合液膜模型

摘要： 反应堆堆芯及蒸汽发生器利用两相沸腾实现高效传热。沸腾表面的干涸（Dryout）是临界热流密度（CHF）发生机制之一,限制了沸腾传热的应用。蒸汽干度较大时,两相流动会发展成环状流。随着沸腾传热的进一步发展,加热面处的液膜会蒸干或断裂,使得加热面仅能由主流蒸汽冷却,从而发生传热恶化,导致壁面温度飞升。因此,Dryout型CHF的预测是反应堆热工水力分析重要课题。从流动的角度,干涸多发生于环状流向雾状流转换的区域。因此环状流模拟对于预测Dryout有着重要的意义。本文首先进行了网格无关性验证,同时对入口液滴直径、液滴群数量、入口液膜厚度等参数进行了敏感性分析,并在此基础上确定了合适的参数。网格尺寸对模拟结果几乎无影响。模拟结果表现出对液滴直径的较强敏感性,主要表现为对液滴沉积率的影响。而液滴沉积率会影响液膜质量流量,从而进一步影响Dryout发生的位置。入口液膜厚度值会影响入口段的液膜厚度分布,但是该影响会在下游会消失。液滴群数量分析体现在喷射器的选取上,表面喷射器能够满足精度需求。基于实验验证过的模型和参数,本文基于临界膜厚预测竖直向上流动圆管内的Dryout现象。计算预测的Dryout发生的位置误差较小。在此基础上,进行了竖直向上流动环管通道的环状流模拟。计算结果表明,内棒处的液膜质量流量计算误差较大,同时,由于液膜蒸发产生的横向速度,液滴产生横向运动趋势,有热流壁面的液滴沉积率低估,无热流壁面的液滴沉积率高估。

Characterization of Boiling Sound at Conditions Approaching Critical Heat Flux

Negi, Akshat

Rochester Institute of Technology

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关键词： Thermodynamics Engineering Mechanical engineering

摘要： In industry, boiling heat transfer is extensively used to efficiently dissipate high heat fluxes from heated substrates. Such industrial applications of boiling include cooling of reactor cores in nuclear power plants, steam generation in industrial boilers, and cooling of high heat flux generating electronic equipment. The maximum heat flux dissipated during boiling is limited by critical heat flux (CHF). At CHF, due to very high bubble generation and coalescence rates, a stable insulating vapor film is formed on the heated surface that leads to very high surface temperatures in a short time. The sudden temperature overshoot causes thermal breakdown, and therefore CHF is disastrous in all industrial applications. Owing to limited visualization of the boiling surfaces and dependence on temperature monitoring only, boiling systems are run at relatively low heat fluxes, ~50% of CHF limit due to safety considerations. The study presented here is focused on developing a method for identifying and analyzing acoustic signatures in the nucleate boiling regimes and using acoustic mapping as a monitoring tool to detect impending CHF. Initially, the sound waves generated through bubble coalescence and bubble collapse during boiling are captured for the plain copper chip. It is observed that the boiling sound is dominant in the frequency range of 400–500 Hz, while additional amplitude peaks in the frequency range of 100–200 Hz are also observed at higher heat fluxes (> 100 W/cm²). Further, it is observed that just before CHF, there is a sudden drop in amplitude in the frequency range of 400–500 Hz. A similar study was performed on two additional microporous surfaces and similar acoustic trends as that of the plain copper chip was observed for both the chips. Coupling these observations with high speed visualization, the study indicates that a continuous acoustic mapping during boiling can be used as a tool to predict the impending CHF in boiling systems.

走进“雅玩” 走向成长——浑南区白塔小学承办“沈阳市义务教育课程改革现场会暨浑南区书法、诗歌进校园总结推进会”

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