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)點的矩形窄通道在各種換熱設備中得到廣泛的應用。當矩形通道應用于海洋條件時，因受到海浪，海風等作用，其內部的流動和傳熱特性將會出現(xiàn)與常規(guī)陸基狀態(tài)截然不同的特性。這吸引了眾多學者對此進行了大量的實驗和理論研究。然而，這些研究主要集中在宏觀上的阻力與換熱方面。對于窄通道內的汽泡行為研究還很匱乏，無法從微觀的角度認識海洋條件對窄通道內的流動與傳熱特性的影響。為彌補這一缺陷，本文

2、以水為工質，在單邊加熱矩形通道內，通過可視化的方式對其中的汽泡行為在海洋條件下的變化予以實驗研究。
　　因汽泡行為在時間尺度上的量級，實驗中涉及的汽泡圖像與參數(shù)數(shù)量都頗為巨大。作者結合實驗方式與圖像特點，總結相應的圖像預處理流程。為獲得單汽泡行為的時序變化，在相關文獻的基礎上，參考光流算法的思想，文中提出以汽泡坐標疊加軌跡區(qū)分核化點，并結合PIV/PTV測序的方法，構建了適用于窄通道內汽泡行為參數(shù)測量的處理方法。在該方法的基礎上，

3、作者對豎直、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容進行了研究。
　　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，而平均直徑則呈上升趨勢。搖擺周期對兩者的作用并不明顯，而角度的增加則僅擴大了波動幅度，對平均數(shù)值沒有影響。時均體積空泡份額在當前的工況參數(shù)下與傾斜角

4、度和搖擺參數(shù)未表現(xiàn)出明顯的關聯(lián)。與汽泡數(shù)量密度和平均直徑的比對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)下的波動形式造成了空泡份額在搖擺運動中的正弦、方形與無規(guī)則三種波動形式。
　　在汽泡演化方面，研究表明：低壓工況中，汽泡在核化點處完成生長，達到最大直徑后隨即進入冷凝階段直至消失，期間稍有滑移（不超過數(shù)個直徑）；高壓工況中，核化汽泡僅在核化點處經(jīng)歷短暫生長，隨后脫離進入滑移增長階段。低壓工況中的汽泡生

5、長-冷凝曲線可采用修正后的Akiyama關系式預測，其經(jīng)驗系數(shù) K和N在當前的工況參數(shù)下分別修正為2.14和0.68。作為關鍵參數(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)，建立適用于當前工況參數(shù)的經(jīng)驗關系式用以表示汽泡最大直徑與壽期。與實驗值的對比表明該關系式可分別在±25％和±30%的誤差范

6、圍內預測汽泡最大直徑與壽期。同時，本文也給出了關系式關聯(lián)兩者。
　　實驗研究結果表明，質量流速增大，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。傾斜條件下，傾斜角度的增加促進了汽泡生長，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。搖擺周期的改變對脫離影響很小，可略去不計。而搖擺角度的增加則增大了脫離直徑的波動幅度。同時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。

7、結果表明，搖擺作用對脫離直徑?jīng)]有可觀測的影響（波動范圍<1%），而流量與汽泡生長率的波動則會引起脫離直徑的顯著變化，并呈同相、同周期的正弦波動形式。實驗參數(shù)的測量值指出流量在強制循環(huán)中因驅動壓頭抑制并未產生較大的波動（<5%）。因此，在實驗中觀測到的汽泡生長率變化是脫離直徑在搖擺和傾斜工況中出現(xiàn)變化的主導因素。
　　脫離頻率在豎直工況中表現(xiàn)為隨熱流密度質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。搖擺工況中，脫