混合润湿性空腔结构池沸腾共轭传热研究

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沸腾传热作为一种伴随着气液相变的高效能量传递方式,因具有传热温差小和热流密度大等特点而受到国内外学者们的广泛关注。液体在汽化过程中带走了壁面的大量热量,单位时间内产生的气体量越多,换热表面在此工作状态下的换热能力越强。所以,通过对换热表面设置较多的成核位点和优良的补液方式,可以在气泡动力学角度去提高换热表面的换热性能。在探索气泡动态行为特征时,因为实验测量存在较大误差性和气泡运动过程中难以捕捉的原因,人们常通过数值模拟去探究沸腾过程气液两相流的流动情况。而介观尺度的格子Boltamann方法因为统计学理论下粒子特性,可以花费少量计算成本展现其他数值模拟方法难以展现的相界面。本文基于单组分多相格子Boltamann方法,尝试性地将固体和液体的物性参数λ、cp引入温度弛豫时间,成功获得了固、液不同的能量传递速率,得到了一种新的固液共轭沸腾传热格子Boltamann模型。在验证了模型的准确性、稳定性和合理性后,采用固液共轭传热模型和原始伪势模型对不同润湿性表面的沸腾传热过程进行了数值模拟。结果表明,由于原始伪势模型忽视了固、液区域不同的传热能力,导致计算获得的气泡根部周围存在范围较大的低密度相变区,该区域对气泡产生了额外相间作用力,大大改变了气泡的壁面接触角、温度场和热流密度分布。而共轭传热模型获得的低密度相变区范围很小,程度更低,壁面接触角更接近于设置的气泡接触角,更能准确地描述和显示实际的沸腾换热微观过程。对于除超亲水表面外的其它润湿性表面,共轭传热模型获得的实际接触角的最大相对误差为8.6%,较原始伪势模型降低了9.8%,这展示了固液共轭传热模型在非超亲水条件下模拟更具有真实准确性。采用新发展的固液共轭沸腾传热格子Boltamann伪势模型,通过设置不同的空腔表面和换热表面的壁面接触角,研究分析了均匀和混合润湿性条件下正方形腔体结构的气泡脱离行为和沸腾换热性能。结果表明,疏水性空腔表面由于其气体束缚特性可以使得气泡更早地成核并显着增加气泡脱离频率,而亲水性换热表面可以限制气泡在表面上的扩展和延迟膜沸腾的出现。此外,对于均匀润湿性表面和混合润湿性表面,由于壁面力和浮力的相互作用,气泡脱离周期随表面接触角呈二次函数变化,存在最小脱离周期。在空腔接触角大于90°的情况下,气泡脱离直径基本不随空腔表面接触角的变化而变化,而且最小脱离周期对应的空腔表面接触角度也随着换热表面接触角的增大而增大。沸腾过程中,疏水性表面的局部热流密度要高于亲水性表面,除去空穴内部的强换热外,三相接触线处的换热也有较大贡献。
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