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气泡间碰撞合并与绕流现象与数值研究
中国工程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号:123063
汽泡间的碰撞、合并和绕流现象与数值研究
李媛园1,魏龙亭1,周乐平1,杜小泽1,王补宣2
1 华北电力大学能源动力与机械工程学院暨电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206
: 010 E-mail: lpzhou@ncepu.edu.cn
2 清华大学工程,北京10
摘要关键词核态沸腾传热汽泡生长和脱离过程,汽泡成因和运动规律是沸腾传热强化机理的研究基础,汽泡动力学Kenning[5]和Sadasivan等[6]分析了汽泡产生前核化核心之间的相互作用,指出沸腾系统的非线性特性。Kim等[7]观察到小汽泡离开原始的核化点沿加热面向相邻汽泡的运动,与相邻汽泡融合生成较大汽泡,或被弹回做扫荡运动。王昊等[9]通过实验观测,得到一个或者几个核心汽泡对于一维加热丝温度场的影响;结果表明,汽泡会造成较大的局部温降,汽泡之间通过热传导相互作用,汽泡间距越大作用越小。陆建峰等[8]实验观测到过冷核态池沸腾中微加热丝上相邻汽泡顶部射流相互吸引,而两汽泡相互远离;分析指出,汽泡生长造成局部温度下降,导致相邻汽泡两侧的热毛细力不均衡,进而引起两个汽泡射流间的相互吸引,而相邻汽泡则有互相远离的趋势。赵建福等[10]通过对过冷核态池沸腾中汽泡横向运动现象进行分析,认为周围液体中热毛细对流吸引相邻汽泡沿加热面横向运动,最终使两汽泡相互接近甚至合并。潘良明等[11]数值研究了重力对池沸腾单气泡生长特性的影响,指出表面张力相对浮升力占优时汽泡将在加热壁面上无规则窜动,同时表面张力梯度将引起显著的Marangoni 效应。总之,热毛细力对汽泡运动状态起着至关重要的作用。
此外,流体的粘度会对汽泡的产生和尺寸造成影响[12],尤其是对汽泡的上升过程。丁志杰等[13]在考虑界面张力的条件下数值模拟了二维汽泡在粘性液体中的上升和变形,认为随着汽泡尺寸减小,表面张力和粘性的影响都增强。张淑君等[14]采用FLUENT软件中界面重构法(PLIC)模拟了汽泡之间的相互作用;分析表明,液体粘度增大加速了汽泡间的融合。可见,汽泡上升过程中粘性力的作用也不可忽视。
本文针对微尺度加热丝表面过冷核态沸腾中汽泡的合并、分离以及绕流等现象运用Fluent商用软件进行数值模拟,分析热毛细作用和流体粘度对汽泡间相互作用的影响,与实验结果相对比,探析影响加热丝上汽泡运动的。
?m、长度65 mm的铂金加热丝被水平固定于底座的塑料支架上,直流稳压电源的两极通过导线与加热丝两端相连,产生焦耳热作为加热丝的热流量。选取加热丝中间段为观测段。试验工质为高纯水,压力为大气压。
图1 实验装置图
根据实验条件建立二维模型如图2所示,长度为65 mm加热丝水平放置于容器底部选取加热丝附近2 mm 2 mm的区域进行计算,如图2所示将加热丝作为热源,上部为压力出口,允许流体自由流出边界,过冷度为常数,设为对称面如图2所示,Marangoni作用。
(b)
图2 几何模型及网格
采用FLUENT软件模拟流体的非定常运动汽泡的运动状态,采用二维非稳态VOF模型。通过自定义函数定义液相到蒸汽相间的质量传递和能量传递根据质量守恒性,传输过程中各相质量和不变,这是作为源项定义在液态水和蒸汽的体积比例方程中的。考虑到吸收和释放热量过程中的潜热的影响,需要在能量方程中添加能量的源项。计算中采用的温度或者发热量均来自于实验1.6106 W/m2。
二维不可压缩流体的连续性方程方程如下:
质量守恒方程:
(1) 动量守恒方程:
(2) 能量方程:
(3) 其中,?为液体密度,t为时间,V是速度矢量,p为静压,?为流体粘度,E为内能,keff有效导热系数,?T为温度梯度,F为体积力。
蒸汽中质量源项的一般形式为:
(4) 其中,l和g分别代表液体和蒸汽,L为潜热[]。通过一阶近似,热流之差可以表示为:
(4)可变为:
(6) 因为没有内部质量源,固液相质量源于汽相质量源相等,即
(7) 能源方程的潜热即为:
(8) 对于汽泡绕流的模拟,为了更接近于实际情况,设定汽泡内蒸汽为饱和蒸汽,气液界面的蒸发传热系数表示为[17]:
(9) 其中,为相对分子质量,为气体常数,为蒸汽密度,为相变潜热,为蒸汽压力(取大气压力),为蒸发凝结系数(值为0.3)。
汽泡边界条件采用Marangoni模型[8]:
(10) 其中,为液体粘度,为界面应力,为汽泡表面法向,为切向,为界面任意位置。
2 实验现象与数值模拟分析
图= 0s时汽泡10.4 mm, t = 0.028–0
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