搖擺作用下矩形流道內(nèi)單相流動換熱與過冷流動沸騰數(shù)值模擬.pdf

1、沸騰現(xiàn)象廣泛存在于動力、冶金、化工、機(jī)械、航空航天、核能等工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中，對人們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生重大影響。多年來，人們努力研究沸騰換熱物理機(jī)理，有關(guān)沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)不斷發(fā)展，但由于其復(fù)雜性和多變性，至今未能獲得廣泛公認(rèn)和普遍接受的機(jī)理認(rèn)識和理論。近年來在沸騰再認(rèn)識大潮流下，沸騰現(xiàn)象研究朝向更加深入、細(xì)致的方向發(fā)展，諸如微重力、微納尺度以及附加外力作用下等。搖擺運(yùn)動作為一種典型附加外力作用下的運(yùn)動，會使動力裝置產(chǎn)生附加加速度

2、，附加慣性力的存在會使工質(zhì)流動產(chǎn)生周期性波動，從而影響系統(tǒng)換熱和流動穩(wěn)定性，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本課題以水為工質(zhì)，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent6.3，編寫用戶自定義函數(shù)(UserDefinedFunction，UDF)，將搖擺及相變產(chǎn)生的質(zhì)量、動量和能量輸運(yùn)添加到控制方程源項(xiàng)中，對搖擺作用下豎直矩形流道內(nèi)單相流動換熱以及過冷流動沸騰核化相變過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算結(jié)果采用Tecplot360進(jìn)行后處理。
　　研究結(jié)果表明，

3、通過向動量方程添加源項(xiàng)的方法可以實(shí)現(xiàn)搖擺附加慣性力的影響。在搖擺作用下，出口流量、壓降、加熱壁面溫度、流體溫度以及努謝爾數(shù)都隨時間發(fā)生周期性波動，波動周期與搖擺周期一致。流量和溫度波動的極值都出現(xiàn)在系統(tǒng)從最大搖擺角度向平衡位置運(yùn)動過程中，且搖擺、流量和溫度波動三者之間存在相位差，這與已發(fā)表文獻(xiàn)結(jié)論相吻合。搖擺周期減小和最大搖擺角度增加都會導(dǎo)致各個參數(shù)波動幅度增加。若將系統(tǒng)關(guān)于搖擺軸心對稱布置，則可以降低搖擺造成的參數(shù)波動。
　　過

4、冷流動沸騰時，汽泡在表面張力作用下，其內(nèi)外壓差滿足Young-Laplace方程。在垂直于主流流動方向的截面內(nèi)，存在二次流動現(xiàn)象。在單相區(qū)二次流動主要是由加熱壁面附近的自然對流產(chǎn)生。而在孤立汽泡區(qū)二次流動主要是由蒸發(fā)和冷凝的交互作用產(chǎn)生，這種二次流動會增強(qiáng)擾動，強(qiáng)化換熱。由于汽相導(dǎo)熱性能較低，在汽泡內(nèi)部靠近加熱壁面的區(qū)域溫度越高，而在汽液界面處由于蒸發(fā)和冷凝的交互作用，其溫度維持在飽和溫度附近。
　　汽泡聚合時，較小汽泡由于內(nèi)部壓

5、力高而被較大汽泡吸附，汽泡間相對運(yùn)動會在聚合汽泡中部形成一個速度滯止區(qū)和兩個內(nèi)部旋渦。汽泡聚合過程結(jié)束后，速度滯止區(qū)和旋渦場消失。模擬還發(fā)現(xiàn)在聚合過程中會在汽泡和壁面之間形成一個液膜，這為其他研究者實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
　　流道上游孤立小汽泡在表面張力作用下呈半球形，且附著在加熱壁面上滑移，在滑移過程中逐漸長大，并與鄰近汽泡聚合形成更大的汽泡團(tuán)。下游聚合形成的較大汽泡由于所受剪切升力增加以及表面張力減弱有脫離加熱壁面的趨勢，且在主流沖擊作

6、用下有較大變形。汽泡滑移作為汽泡典型特征，會增強(qiáng)下游區(qū)域換熱，從而抑制下游核化點(diǎn)產(chǎn)生。在滑移過程中也伴隨有汽泡浮升和再粘附過程，其機(jī)理跟表面張力和剪切升力相互作用有關(guān)。
　　搖擺作用下流動沸騰壓降和單相流動壓降均比靜止條件下要大，同時由于汽泡間歇性通過流道出口，流動沸騰壓降會在單相流動壓降基礎(chǔ)上產(chǎn)生波動，且壁面熱流密度越大，壓降波動幅度越大。搖擺產(chǎn)生的附加慣性力對相比汽泡所受其他力而言可以忽略不計(jì)；搖擺造成的流量波動會改變汽泡所受