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内设凹槽微通道内的气泡行为与流动沸腾换热特性

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江苏大学学报（自然科学版） 2022年第5期43卷 587-592页

作者：王迎慧刘建停江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江212013

运用VOF(volume of fluid)模型与用户自定义函数,数值模拟研究水在加热壁面上V形、梯形、方形和燕尾形凹槽微通道内的流动沸腾,分析凹槽形状对气泡成核、生长、脱离及聚并等行为的影响.研究结果表明:在热流密度为300 kW·m^(-2)时,凹槽... 详细信息

运用VOF(volume of fluid)模型与用户自定义函数,数值模拟研究水在加热壁面上V形、梯形、方形和燕尾形凹槽微通道内的流动沸腾,分析凹槽形状对气泡成核、生长、脱离及聚并等行为的影响.研究结果表明:在热流密度为300 kW·m^(-2)时,凹槽均被激活为沸腾核化点,与其他形状凹槽相比,水在燕尾形凹槽微通道内的起始沸腾时间相对较早;在核态沸腾阶段,与梯形凹槽相比,气泡在燕尾形凹槽微通道内的生长和脱离时间分别缩短为7.50和6.70 ms,气泡脱离频率从33.8 s^(-1)提高至66.7 s^(-1),有利于水在微通道内的流动沸腾换热强化;脱离气泡在微通道内的聚并与拉伸行为增大液膜蒸发区域,气泡对液相的扰动增强,但会造成加热壁面上发生局部干涸,降低沸腾换热的稳定性与可靠性.

关键词：凹槽微通道气泡行为流动沸腾传热

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讲气方式对气升泵中气泡行为的影响

工程热物理学报 2019年第9期40卷 2084-2093页

作者：陈圣涛张泽楠弓永军邱强张增猛大连海事大学船舶与海洋工程学院

气升泵内气泡行为是气升泵提升效率、提升能力的关键影响因素,而气升泵的进气方式对气升泵内的气泡行为有重要影响。本文通过数值模拟和实验研究的方法,研究了不同气孔类型、不同气孔间距对于气泡上升变化以及流场变化的影响.结果表明:... 详细信息

气升泵内气泡行为是气升泵提升效率、提升能力的关键影响因素,而气升泵的进气方式对气升泵内的气泡行为有重要影响。本文通过数值模拟和实验研究的方法,研究了不同气孔类型、不同气孔间距对于气泡上升变化以及流场变化的影响.结果表明:单一气泡上升形变过程一般为圆形-蘑菇形-梭形,当气泡数量增加,气泡相互间的影响导致气泡形状变化不规则;同一进气方式生成的连续气泡,后面生成的气泡加速度大于前面气泡的加速度;增加气孔间距离,竖直方向两气泡相比水平方向两气泡容易发生融合;增加气孔数量、减小气孔间距都可以使气升泵中液体速度增加。本研究对于气升泵的结构优化和提高作业效率有着重要的意义。

关键词：气升泵 VOF方法气泡行为

泡沫铜孔密度对池沸腾换热性能的影响及气泡行为特性分析

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东华大学学报（自然科学版） 2022年第6期48卷 112-119,142页

作者：黄程刚陈卉王会东华大学环境科学与工程学院上海201620

通过可视化试验研究泡沫铜的孔密度对池沸腾换热性能的影响,并对气泡的动态行为和液体补充方向进行理论分析。将泡沫铜的孔密度划分为低孔密度和高孔密度分别进行讨论。通过记录的泡沫铜表面沸腾气泡图像研究气泡的行为特性,基于气泡脱... 详细信息

通过可视化试验研究泡沫铜的孔密度对池沸腾换热性能的影响,并对气泡的动态行为和液体补充方向进行理论分析。将泡沫铜的孔密度划分为低孔密度和高孔密度分别进行讨论。通过记录的泡沫铜表面沸腾气泡图像研究气泡的行为特性,基于气泡脱离形式和宏观气液流动方向探究不同孔密度泡沫铜的强化换热机理。结果表明:低孔密度下泡沫铜表面的池沸腾换热性能随孔密度的增大而增强,高孔密度下则反之。低孔密度的泡沫铜表面逃逸气泡尺寸变化不大,其沸腾气泡逃脱路径呈直上直下形式;高孔密度的泡沫铜表面逃逸气泡尺寸波动范围大,表面气泡逃脱路径杂乱无序,气泡横、纵向合并现象常见。沸腾气泡逃脱阻力增大和外部液体补充空间的减小是限制泡沫铜沸腾换热性能增强的原因。

关键词：池沸腾强化传热泡沫铜孔密度液体补充气泡行为

表面活性剂溶液在沟槽表面沸腾换热特性与气泡行为研究

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表面活性剂溶液在沟槽表面沸腾换热特性与气泡行为研究

作者：徐黎婷东华大学

学位级别：硕士

沸腾换热作为一种高效相变换热形式被广泛应用于制冷空调、海水淡化、电子元件冷却、核能发电等领域。为了获得更高效的换热能力,学者们对沸腾换热强化方法进行研究探索,在池沸腾换热系统中,常用手段有改良换热表面(化学改性、激光烧蚀... 详细信息

沸腾换热作为一种高效相变换热形式被广泛应用于制冷空调、海水淡化、电子元件冷却、核能发电等领域。为了获得更高效的换热能力,学者们对沸腾换热强化方法进行研究探索,在池沸腾换热系统中,常用手段有改良换热表面(化学改性、激光烧蚀、线切割等)和使用添加剂(纳米流体、表面活性剂等),旨在促使沸腾起始点(Onset of nucleate boiling,ONB)提前,提升气泡核化能力以及改善表面润湿特性等。本文采用了便于加工的沟槽表面结构,同时应用廉价的表面活性剂十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate,SDS)作为添加剂,探究耦合作用下的沸腾换热特性及其气泡行为。基于搭建的沸腾可视化实验系统,对中、低热流密度工况(q气泡核化、生长与脱离特性进行观测,并进行了定量分析。结果发现去离子水和表面活性剂溶液中气泡等效直径的增长都满足热扩散生长模型(Diffusion controlled growth model),即D∝t。此外,表面活性剂的添加显著地改善了气泡在换热表面的核化能力,并使得气泡生长时间短,脱离直径小。且沟槽表面也比光滑表面更易成核,即沟槽表面能够在更低的热流密度下开始形成核化气泡。沟槽表面和表面活性剂的耦合效应会进一步促进沸腾中的气泡形核。在换热方面,SDS溶液与去离子水(Deionized water,DI water)相比,在中、低热流密度下也表现出良好的换热性能。当耦合沟槽表面后,换热得到进一步强化,其换热系数(Heat transfer coefficient,HTC)最大可提升238%。与此同时,研究也发现在表面活性剂溶液中,壁面过热度更易稳定在某一区间,即换热表面在变化的热流条件下能够维持较为稳定的壁面温度。在SDS溶液的沸腾过程中主要有三种气泡形式,即小气泡(Small bubbles)、离散气泡(Discrete bubbles)和大气泡(Large bubbles),并且研究发现离散气泡是由液体对流夹带上层泡沫进入溶液内部而形成。在相对较高的热流密度下,表面活性剂溶液沸腾存在气泡拥挤现象(Bubble crowding),气泡簇会出现扩张收缩现象并伴随着近壁面温度的显著波动。气泡拥挤会导致SDS溶液过早干涸,并降低临界热流密度(Critical heat flux,CHF)。其原因在于表面活性剂的存在改变界面张力特性,导致了更好的成核能力和显著的泡间斥力,而这两者也是SDS溶液在中低热流密度下具有更强换热性能的原因。最后,构建了基于Freundlich吸附等温线的表面活性剂沸腾模型,其中考虑了分子输运、吸附速率、吸附量等因素,并和已有实验结果进行对比验证。结果发现,表面活性剂分子的吸附及扩散效应起到决定因素,并且由于表面活性剂分子吸附扩散机制可能发生了改变,表面活性剂溶液浓度的不同,会导致沸腾曲线的显著差异。

关键词：表面活性剂沟槽表面气泡行为沸腾模型

下铸过程中注管旋流定子对流场及气泡行为影响

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材料与冶金学报 2023年

作者：刘济铭苏志坚陈玄烨陈进哈尔滨锅炉厂有限责任公司东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室

下铸过程中，如中注管内，钢液冲击导致流场分布不均，会导致大量气体卷入钢液，并在铸模内形成较高的驼峰，容易造成铸锭产生夹渣及气孔等缺陷。本文提出在下铸过程中注管内安装旋流定子以产生流体旋流，控制浇道流场状态和铸模内驼峰... 详细信息

下铸过程中，如中注管内，钢液冲击导致流场分布不均，会导致大量气体卷入钢液，并在铸模内形成较高的驼峰，容易造成铸锭产生夹渣及气孔等缺陷。本文提出在下铸过程中注管内安装旋流定子以产生流体旋流，控制浇道流场状态和铸模内驼峰高度。进行了水模型实验，改变中注管中的定子安装位置、扭转角度及厚度等，研究了其对流场和气泡行为的影响。结果表明：在中注管内放置旋流螺旋定子能产生流体旋流，合适的放置位置能让中注管内气液交界面最高；且随着螺旋定子扭转角度和厚度的增加，流体的旋流增强，气泡易向中注管中心聚集并上浮，气液交界面深度比无定子时最大可分别降低46.3%和 43.3%；同时其能降低铸模内的驼峰高度。

关键词：下铸法螺旋定子旋流气泡行为驼峰高度

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RH真空室内气泡行为的研究

工程科学学报 2018年第4期40卷 453-460页

作者：赵立华郭建龙徐佳亮张超杰北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室北京100083

Ruhrstahl-Hereaeus（RH）上升管内的气液两相流是整个装置的重要动力源,并对钢液的流动、混匀及精炼过程有重要影响.上升管及真空室内的气液两相流决定了钢包内钢液的流动状态,为了研究真空室及上升管内气液两相流,通过1∶6的300 t RH... 详细信息

Ruhrstahl-Hereaeus（RH）上升管内的气液两相流是整个装置的重要动力源,并对钢液的流动、混匀及精炼过程有重要影响.上升管及真空室内的气液两相流决定了钢包内钢液的流动状态,为了研究真空室及上升管内气液两相流,通过1∶6的300 t RH的物理模型模拟了RH上升管及真空室内气泡行为过程,并测量了RH循环流量的变化用于计算上升管内含气率以及气泡运动速度最终得到气泡在真空室内的停留时间,同时记录了气泡在真空室内的存在形式.气泡在真空室的存在形式的主要影响因素为提升气体流量,研究发现了气泡从规则独立的大气泡经历聚合长大,碰撞破碎成小气泡,最后变成小气泡和不规则大气泡共存的现象.液面高度达到80 mm之后,气泡在真空室内的停留时间达到一个平衡值,不再随真空室液面高度的增加而发生改变.当提升气体量达3000 L·min-1,气泡停留时间减小趋势弱,对应3000 L·min-1情况下,真空室内气泡开始聚合长大.研究认为对于300 t RH的真空室液面高度应为80 mm,提升气体量应在3500 L·min-1左右,优化后,脱碳时间由原工艺的21.4 min缩短至现工艺的17.5 min.

关键词： RH精炼气泡行为脱碳真空室含气率

皮秒激光浸液诱导等离子体微细加工工艺及气泡行为机制研究

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皮秒激光浸液诱导等离子体微细加工工艺及气泡行为机制研究

作者：张意华中科技大学

学位级别：硕士

采用皮秒激光浸液诱导等离子体微细加工工艺可在硬脆材料表面制造出高质量高精度的微结构。然而,由于液体介质过热所产生的大量气泡不仅会使激光束散焦,降低加工性能,而且微气泡的冲击还会破坏表面形貌。因此,本文对皮秒激光浸液诱导等... 详细信息

采用皮秒激光浸液诱导等离子体微细加工工艺可在硬脆材料表面制造出高质量高精度的微结构。然而,由于液体介质过热所产生的大量气泡不仅会使激光束散焦,降低加工性能,而且微气泡的冲击还会破坏表面形貌。因此,本文对皮秒激光浸液诱导等离子体微细加工单晶硅过程中不同工艺参数下的气泡静态和动态行为展开了全面的研究,并进一步分析了气泡行为对材料表面特征的影响。本文首先研究了微气泡的一系列机理,包括产生和生长、运动和溃灭,并进一步研究了微气泡行为对加工性能和表面质量的影响机制,分析得出产生的大部分气泡上浮至液面处,少量气泡却粘附在微槽附近,微气泡使激光散焦,降低加工稳定性,进一步导致较差的表面质量,气泡破裂引起的冲击波也不利于形成均匀的微槽轮廓。其次,基于ANSYS FLUENT中的VOF求解器建立了激光诱导等离子体微细加工的流体模型,仿真研究了不同水层深度下的气泡动态行为,仿真结果反映了微气泡上浮、单气泡生长、多气泡融合行为,与实验拍摄到的气泡演变图像进行对比分析后,进一步验证了模型的可靠性。然后,本文搭建了皮秒激光诱导等离子体微细加工-微气泡观测平台,采用单因素实验方法研究激光频率、脉冲能量、液层深度、液体介质种类对气泡静态行为(附着气泡数量、最大附着气泡尺寸)和动态行为(上浮运动轨迹)以及微槽宽度和热影响区的影响,并进一步地分析了气泡行为对加工缺陷、表面硬度、深度轮廓及元素沉积的影响。实验结果表明,气泡破裂产生的剧烈冲击波软化了单晶硅表面,材料表面受气泡冲击后其弹性模量和表面硬度会降低,采用较低的激光频率、较低的脉冲能量、较低的液层深度更有利于降低微气泡的不利影响,进而加工出表面缺陷更少、宽度更一致的微槽,与去离子水和5.6 mol/L磷酸溶液相比,在无水乙醇中加工的单晶硅表面几乎没有微气泡残留,可获得更洁净、深度更均匀的微槽。本研究有助于更好地了解皮秒激光浸液诱导等离子体微细加工单晶硅过程中微气泡的行为和影响。

关键词：激光诱导等离子体微细加工气泡行为单晶硅加工缺陷微槽

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核态沸腾气泡行为及热管蒸发器数值模拟研究

核态沸腾气泡行为及热管蒸发器数值模拟研究

作者：聂晓晶哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

深海热液是一新发现的能源,蕴藏有巨大的能量,其中心温度可达到400℃,属于中低温热源。若能将深海热液中的热能转化成电能,可以为各种水下科学研究活动提供电力保障,扩展我国的海洋能源战略领域。而有机朗肯循环(ORC)发电技术在中低温... 详细信息

深海热液是一新发现的能源,蕴藏有巨大的能量,其中心温度可达到400℃,属于中低温热源。若能将深海热液中的热能转化成电能,可以为各种水下科学研究活动提供电力保障,扩展我国的海洋能源战略领域。而有机朗肯循环(ORC)发电技术在中低温热源回收利用中具有优势地位,因此本论文基于工程需要,拟设计出一种合适的有机工质重力热管蒸发器应用于有机朗肯循环发电系统中,对海底热液中的能量进行转化利用。为获得合适的有机工质重力热管蒸发器设计参数,本文对核态沸腾气泡行为及热管蒸发器内的流场进行了数值模拟研究,主要包括:(1)利用商业软件Fluent中的多相流VOF模型并结合Lee相变模型,分别对有机工质苯在1.9MPa下,池沸腾及流动沸腾中的核态沸腾区气泡行为进行研究,分析静态接触角、壁面过热度、质量流量等因素对气泡生长过程及换热的影响;(2)对单根螺旋加热结构外的流动沸腾换热进行数值模拟,分析了在不同入口质量流量、工质温度以及螺旋加热壁面的热流密度等条件下,流道内的流场变化以及这些因素对含气率和传热系数的影响;(3)基于深海热液物性参数,对微型热管蒸发器进行了设计计算,并对流动及换热过程进行了数值模拟。通过对计算结果的分析,可以得出以下结论:(1)对于池沸腾中核态沸腾区的单个气泡的行为,气泡的脱离频率受到静态接触角和壁面过热度的影响。当接触角增大,壁面过热度增高时,气泡的脱离频率加快,但气泡的脱离直径不受影响;(2)对泡状流动沸腾,增大质量流速能够携带走壁面的气泡,使壁面不易生成气膜,从而提高表面换热系数。同时,壁面热流密度越大,表面换热系数越高,管道内的气相体积分数越大。较大的气相体积分数会造成传热恶化,使管壁温度飞升;(3)对单根螺旋管管外流动沸腾传热现象的模拟计算发现,当增大入口质量流量和降低入口温度时,出口截面的体积含气率均会减少;而当增加壁面热流密度时,则会使出口含气率增加;(4)对热管蒸发器的流动及换热过程模拟发现,随入口质量流量增加,蒸发器出口的蒸汽含量降低,从而增强了换热过程,这与单根管外流动沸腾的结果一致;而随着入口工质温度降低,处于单相对流换热的区域增加,从而延长了蒸发器内维持较高传热强度的时间。综合以上计算结果,最终得出结论:设计用于热液发电的微型蒸发器时,将工质的入口质量流量控制在0.236kg/s～2kg/s之间,入口温度控制在170℃附近,能够获得较好的换热效果。

关键词：沸腾传热气泡行为热管蒸发器

高温透明铝电解槽中50 cm^(2)石墨阳极上气泡析出行为

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中国有色金属学报 2021年第7期31卷 1933-1943页

作者：关月超王壮牛宏坤杨酉坚王兆文高炳亮 LIU Jingjing Mark P TAYLOR John J J CHEN 东北大学冶金学院沈阳110819 Department of Chemical and Materials Engineering University of AucklandAuckland 1142New Zealand

铝电解阳极气泡行为对研究电解质流场模拟和阳极效应都至关重要。本文采用高温透明电解槽观测了底面积为50 cm^(2)(10 cm×5 cm)的石墨阳极上的气泡行为,实验温度为924℃。结果表明:在阳极电流密度为0.3~1.7A/cm^(2)范围内,最大气体覆... 详细信息

铝电解阳极气泡行为对研究电解质流场模拟和阳极效应都至关重要。本文采用高温透明电解槽观测了底面积为50 cm^(2)(10 cm×5 cm)的石墨阳极上的气泡行为,实验温度为924℃。结果表明:在阳极电流密度为0.3~1.7A/cm^(2)范围内,最大气体覆盖率在48%~65%之间,与工业电解槽炭阳极上的最大气体覆盖率相近,低于文献中小尺寸阳极上观测到的60%~100%。通过SEM/EDS分析发现,气泡成核的优先位置与炭阳极表面的层状结构位置吻合,层状碳结构对CO_(2)气泡润湿性好于致密碳结构,并抑制二氧化碳气泡的滑动,促进大气泡的生成。

关键词：铝电解透明电解槽炭阳极对电解质的润湿性气泡行为气泡成核