矩形流道内过冷流动沸腾汽泡凝结特性的数值研究

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过冷流动沸腾中，两相流动作为一个设计与安全分析的核心问题而广泛存在于工业过程和能源动力工程等领域。在涉及到相变的场合，汽泡上升过程中的凝结及变形行为是描述两相流动的一个非常关键且复杂的问题，是汽泡动力学中的重要内容，也是计算两相流传热和流动的焦点问题。本文建立了过冷流动沸腾汽泡凝结质量与能量传递模型，通过改变系统压力、主流过冷度和质量流速以及汽泡初始尺寸等参数模拟了两种不同尺寸流道内的汽泡凝结过程，以探讨工况参数对汽泡凝结界面换热、汽泡凝结时间以及汽泡几何形态的影响，并分析凝结过程中汽泡内部及周围流场的变化，为实际的工程应用提供相关参考依据。
　　研究发现，基于课题组可视化实验得到的汽液界面凝结换热系数建立的窄流道汽泡凝结质量及能量传递模型其计算结果与相应条件下的实验结果吻合较好，误差在±20％之内。汽泡初始尺寸、过冷度和系统压力等工况参数对汽泡凝结行为有着重要的影响：汽泡凝结时间与汽泡初始尺寸大小和主流过冷度呈正相关，凝结时汽泡周围会出现旋涡，且过冷度越高，旋涡将越大。与系统压力成反相关，但受主流质量流速影响很小。并通过界面源项分析，进一步证实汽泡凝结过程中泡内饱和蒸汽与过冷流体之间的换热仅发生在汽液界面区域。
　　研究还发现，基于Kim提出的汽液界面凝结换热系数而建立的常规流道内的过冷流动沸腾汽泡凝结质量及能量传递模型，其得到不同工况下汽泡凝结变形过程的模拟结果与已发表的研究结果吻合较好。汽泡凝结时几何形状受汽泡初始直径、主流过冷度和系统压力等影响显著。过冷度越高，汽泡变形更剧烈，初始直径越大，汽泡变形更剧烈；当初始直径和过冷度都达到一定值时，汽泡在凝结后期将发生破裂；系统压力越高，汽泡几何形态变化越小。但几何形态受主流质量流速影响很小，只有在凝结后期，高质量流速下其几何尺寸略小。通过分析汽泡内部及其周围流场，发现高过冷度下汽泡内部及周围的速度场要紊乱得多，导致汽泡冷凝过程的变形更显著。尺寸较大的汽泡凝结过程中，其左右两侧会出现漩涡，且在其底部速度场较大，过冷度越高，速度越大。
　　本文最后对倾斜流道内汽泡凝结行为进行了模拟，研究发现，汽泡凝结受到流道倾斜角度影响，且倾斜角度越大影响越显著。主要表现在：凝结过程中汽泡几何形状和汽泡内部及周围流场的不对称性随倾斜角的增加而增大；汽泡凝结速度随倾斜角的增大而略有增加。

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作者
谭智威;
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作者单位

重庆大学;

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授予单位重庆大学;
学科动力工程及工程热物理
授予学位硕士
导师姓名潘良明;
年度 2011
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TK229.66;
关键词
矩形流道; 过冷流动沸腾; 两相流动; 汽泡凝结特性; 数值模拟; 能量传递模型;

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