关键词：
过载
池沸腾
纳米流体
三氧化二铝
传热系数
临界热流密度
气泡行为
摘要：
池沸腾相变传热具有传热效率高、经济性好以及温差小等优势,目前已经广泛应用于工业各类制冷设备中,如空气调节、海水淡化、火力发电、制冷设备、高功率电子设备、核反应堆、航空航天器热控等。随着航空航天等领域的快速发展,传统工质的传热性能已经无法满足工业需求,因此,作为有效强化传热技术之一的纳米流体成为热门研究课题。目前,纳米流体的池沸腾研究基本是在常重力环境下进行的,且纳米流体对池沸腾传热特性的影响规律并不统一。飞行器在起飞、降落等过程中常面临过载的环境,而过载环境下池沸腾研究极少,因此有必要开展过载对纳米流体池沸腾传热特性影响的研究。
针对上述技术需求,本文进行了不同过载环境下Al2O3–水纳米流体的池沸腾传热特性研究。为了通过对比分析,深入探讨过载环境下纳米流体池沸腾传热机理,同时开展了过载环境下纯水池沸腾传热特性研究。实验件是铂丝,其直径分别为0.03 mm和0.05 mm,长度为27 mm;Al2O3纳米颗粒的粒径为20–30 nm,浓度为0–0.15 wt%;过载加速度为1.0–3.0 g,系统饱和压力为0.1–0.6 MPa。主要的研究内容和创新成果如下:
（1）设计、搭建了适用于过载环境下的池沸腾实验系统。此实验系统主要包括两部分:池沸腾传热系统和数据测控系统。对实验中的设备进行标定验证后,进行了常压常重力环境下的池沸腾实验研究,池沸腾传热系数（HTC）和临界热流密度（CHF）实验数据分别与Mostinski模型和Zuber模型的预测值进行了对比分析。结果显示,实验数据与模型预测值之间的偏差均在±10%以内,且实验数据与预测值趋势一致,说明了实验系统测试数据的可靠性。
（2）纯水池沸腾气泡行为的实验与数值模拟研究。对常重力环境下铂丝上的气泡行为进行了可视化实验研究,重点分析了热流密度与系统饱和压力对气泡行为的影响。可视化结果显示,系统饱和压力从0.1 MPa增加到0.4 MPa时,气泡的脱离尺寸逐渐减小,气泡的脱离频率逐渐增加。通过Fluent软件中的VOF多相流模型,数值模拟了常压下1 g、3 g、6 g和10 g时重力对池沸腾气泡行为的影响。数值模拟结果表明:常压下重力从1 g增加到6 g时,气泡的脱离尺寸和脱离频率与系统饱和压力从0.1 MPa增加到0.4 MPa时的可视化结果类似;过载6 g和10 g时的气泡行为差别不明显。
（3）过载环境下纯水池沸腾传热特性实验研究。实验结果显示,过载会轻微恶化HTC,但会强化CHF。过载对纯水池沸腾传热特性变化规律受到系统饱和压力的影响,随着系统饱和压力增加,HTC恶化趋势减弱,而CHF强化效果进一步加强。整体而言,在本文实验工况下,过载对池沸腾传热特性影响效果没有系统饱和压力的显著。基于过载环境下纯水HTC数据,拟合了HTC与系统饱和压力和过载的无量纲计算模型hr∝gr-0.13PR0.04。
（4）纳米流体配制与稳定性研究。采用超声波震荡的两步法配制纳米流体,用离心沉降方法与透光度分析方法验证纳米流体的稳定性。添加分散剂后,纳米流体透射比显著升高所需要的沉降时间延长,说明分散剂可以增强纳米流体的稳定性。不添加分散剂的情况下,纳米流体透射比在16小时内未发生显著变化。
（5）常重力环境下纳米流体池沸腾实验研究,重点研究了纳米颗粒浓度对池沸腾传热特性的影响。首先实验研究了纯水中添加十二烷基苯磺酸钠（SDBS）对池沸腾传热的影响,SDBS浓度为0–0.5 wt%。结果显示,随着分散剂浓度增加,SDBS水溶液的CHF逐渐恶化,而HTC先强化随后逐渐转为恶化。添加分散剂总体上对池沸腾传热有负面影响,且会干扰对纳米流体强化机理的探讨,因此本文池沸腾实验,纳米流体均未添加分散剂。与纯水数据相比,纳米流体的CHF随着纳米颗粒浓度增加而增加,而HTC先从强化变为恶化,随后又变为强化。随着热流密度增加,纳米流体HTC逐渐恶化。通过对水–纳米流体池沸腾传热与纯水在纳米颗粒镀层铂丝上池沸腾传热的实验结果对比分析,揭示了纳米流体强化传热的机理,主要包括纳米颗粒在铂丝上沉积,以及纳米颗粒强化主流液体的导热系数。随着纳米颗粒浓度的增加,纳米颗粒对基液导热强化作用会逐渐起主导作用。
（6）过载环境下纳米流体池沸腾传热特性实验研究。探讨了纳米颗粒浓度、过载加速度、系统饱和压力及池沸腾时间这几个因素对池沸腾传热特性的影响。结果显示:过载增加了纳米流体在池沸腾过程中的不稳定性,对纳米流体池沸腾传热特性的变化趋势产生影响。此外,增加热流密度与纳米颗粒浓度均会降低纳米流体的稳定性。0.015 wt%浓度纳米流体过载池沸腾实验研究中,HTC随着过载的增加而逐渐降低。当纳米流体浓度C>0.005 wt%时,CHF先随着过载的增加而增加;当过载大于2 g后,增加过载,CHF不再继续增加。
