在石油化工、食品、医药等行业里,沸腾换热因其具有很高的传热能力而被广泛应用,其中棒状的电加热元件非常常见。沸腾的机理非常复杂,它是通过大量气泡的形成、成长和运动将工质由液态转换到气态的一种剧烈的蒸发过程。沸腾换热发生在沸腾壁面上,沸腾壁面的几何特性和换热特性都对换热能力有很大的影响,也受到很多研究者的广泛关注。其中沸腾表面所处的位置对沸腾换热也有很大的影响。池沸腾换热在工业领域有很重要的应用价值,它关系到如何最大限度地挖掘相变换热器的工作潜力,以期达到节约能源的目的。因此研究加热表面沸腾换热特性随几何结构和几何位置的变化规律对提高沸腾换热能力具有重要的科学和经济意义,同时研究加热表面的临界热流密度值对提高沸腾换热效率和设备安全具有重要的现实意义。本文开展了大长径比电加热元件池沸腾的实验研究和数值模拟研究,通过加热棒不同加热功率和不同放置方式的比较,来研究加热表面沸腾换热特性的变化规律,主要包括以下三方面的内容:(1)棒束池沸腾的可视化实验研究和温度测量研究。实验过程中运用高速摄影采集加热表面气泡的成核、生长和脱离过程的视频文件,同时拍摄得到加热壁面附近流体介质的流动形态。通过对采集到的视频文件的处理,得到加热表面气泡的生长速率、生长周期、脱离直径、脱离频率和汽化核心密度。再计算得到加热表面的相变速率和热流密度,比较不同加热功率和加热棒不同轴向高度的沸腾换热特性来得到其变化规律。实验中采集加热棒表面的温度数据,比较加热棒轴向各高度处的温度,分析加热棒表面温度沿轴向高度的变化规律。(2)加热棒竖直放置工况下池沸腾的数值模拟研究。本文基于ANSYS FLUENT平台,构建六面体结构化网格,选用壁面沸腾模型对池沸腾现象进行模拟。首先对实验工况进行数值模拟,对比数值结果和实验结果,验证数值模型的可靠性。在验证数值模型可靠性的前提下,为了节约计算成本,对单根加热棒的池沸腾进行数值模拟。通过数值模拟结果分析加热棒竖直放置时加热表面热流密度、沸腾换热系数随加热功率和加热棒轴向高度的变化规律,同时得到加热表面汽化核心密度、气泡脱离直径和气泡脱离频率随加热功率的变化规律。通过局部气相体积分数云图、气相速度矢量图和气相流线图进一步分析沸腾换热特性随几何位置变化的机理。分析加热棒水平放置时加热表面热流密度和沸腾换热系数随周向角的变化状况。(3)通过分析对比加热棒水平放置和竖直放置两种工况的液相温度云图、气相体积分数云图和气相速度矢量图,分别得到两种放置方式的优缺点。