基于RPI沸腾模型的液氮池内核态沸腾过程模拟与分析

液氢空间贮存过程膜态沸腾数值模拟
王娇娇;厉彦忠;王磊
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2022()1
【摘要】为实现液氢在空间中安全高效应用,针对微重力条件下液氢膜态沸腾现象,建立了加热细丝浸没在过冷液氢池中的数值计算模型。

采用VOF方法捕捉相界面,相变模型选取Lee模型,利用文献中的实验数据验证了模型的准确性。

从气泡运动行为和换热特性两方面开展研究,结果发现液体过冷度和重力水平是影响换热机理的两个重要因素。

在高重力水平、低液体过冷度的条件下,加热细丝上方持续产生气泡并脱离,随着重力水平的降低,气泡脱离直径和气泡生长时间逐渐增大,流体与壁面间换热量随之降低。

在低重力水平、高液体过冷度条件下,气膜附着在加热丝表面不断晃动,没有气泡的产生与脱落现象。

对于液体过冷度为2 K,壁面过热度为30 K的工况,气泡是否脱落的临界重力在0.1 g至0.15 g之间。

【总页数】6页(P51-56)
【作者】王娇娇;厉彦忠;王磊
【作者单位】航天低温推进剂技术国家重点实验室;西安交通大学制冷与低温工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TB663;TB61
【相关文献】
1.水平振动管内液氢流动沸腾压降的数值模拟
2.基于RPI沸腾模型的液氮池内核态沸腾过程模拟与分析
3.基于双流体模型的液氢流动沸腾数值模拟
4.使用界面追踪对膜态沸腾的数值研究(英文)
5.球体表面强制对流膜态沸腾换热的数值模拟
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基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟研究董非; 苑天林; 武志伟; 倪捷【期刊名称】《《化工学报》》【年(卷),期】2019(070)0z2【总页数】8页(P250-257)【关键词】内燃机; 冷却水腔; 沸腾换热; 两相流; RPI【作者】董非; 苑天林; 武志伟; 倪捷【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TK 421.1引言近年来由于高增压、超高压燃油喷射技术等先进技术的使用导致主要的受热零部件，如汽缸盖、活塞等热负荷显著增加，内燃机冷却系统面临更加严苛的挑战[1-3]。

传统的内燃机冷却系统主要以单相对流换热为主。

随着上述先进技术的使用，传统的冷却系统换热方式已经无法满足缸盖鼻梁区等热关键区域在高负荷状态下的换热要求[4-7]。

近年来，国内外学者对内燃机内换热状态进行了大量的试验研究[8-13]。

Lee 等[14]通过试验研究证明在鼻梁区等高热负荷区域存在核态沸腾。

但是内燃机缸盖水腔结构极为复杂且封闭于缸盖内部，依靠试验研究缸盖冷却水腔内的沸腾换热过程面临着实现难度大、成本高等问题[15-16]。

CFD 数值模拟成为研究内燃机内部换热过程的主要方式，常用的内燃机冷却水腔换热计算单相沸腾模型有Chen 模型和BDL 模型[17-18]。

董非等[19]对BDL 模型进行了修正，提高了该模型的计算精度。

但是该模型多是基于试验数据拟合得到的半经验公式，没有考虑相变的影响，计算精度有限[20-21]。

RPI两相流模型考虑了气泡分离直径、气泡分离频率和气泡成核密度等的影响，该模型能够对沸腾换热过程中两相流流动状态进行准确的分析。

如雷东旭等[22]确定了欧拉两相流模型中子模型的合理选用以及其适用范围。

何联格等[23]基于欧拉多相流模型，模拟汽缸盖内两相流沸腾换热过程，考虑气泡形状和尺寸对于数值计算精度的影响。

分析不同气泡尺寸下，缸盖冷却系统内两相流分布和缸盖温度场分布。

纳米流体核态沸腾换热机理研究李科;薛淑文;李义科【摘要】本文介绍纳米流体沸腾换热的最新研究进展,并就本课题组的最新成果展开叙述,基于实验结果建立一系列封闭方程来修正和完善经典壁面热通量分区模型,模拟结果表明:汽化核心密度、气泡脱离直径和纳米流体润湿角是纳米流体换热性能提升的主要原因,所建立的新的汽化核心密度、气泡脱离直径模型预测结果与实验数据吻合较好,证明该模型的可靠性.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2016(035)003【总页数】6页(P241-246)【关键词】纳米流体;沸腾换热;数值模拟;气化核心密度;研究进展【作者】李科;薛淑文;李义科【作者单位】内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TK242随着人类社会的快速发展，能源与环境问题已经成为制约世界各国发展的瓶颈.1995年，美国Argonne国家实验室Choi等[1]首次提出纳米流体的概念，纳米流体是按照一定的方式和比例将纳米级金属或非金属氧化物粒子添加到液体中，形成一种均匀稳定且具有高导热系数的新型传热冷却工质.纳米流体概念提出后，各国研究机构纷纷对纳米流体进行了研究，发现纳米流体在节能、节材、低碳、减排方面具有一定的可行性，并在化学化工、冶金、热能、核能及材料科学等领域已显现出广阔的应用前景.纳米流体作为强化换热的一种工质，近年来研究者已取得大量的成果，由于纳米流体具有提高导热系数、降低过冷度等特性，因此在相变蓄冷、制冷剂、热管和冷却剂等方面具有较好的应用前景[2].Brutin等[3]和Buongiorno等[4]的研究表明纳米流体作为冷却介质在核反应堆中存在潜在可能性，特别是在核反应堆的IVR(In-Vessel Retention，熔融物堆内滞留)措施中的应用.赵言冰等[5]对Al2O3/水纳米流体进行池沸腾的研究表明添加纳米颗粒很大程度强化了沸腾传热，并认为这种传热的强化是由于添加纳米流体改变流体的物性和颗粒在加热面附近运动改善气泡形成条件共同作用得到的.唐潇等[6]对δ-Al2O3-R141b纳米流体在0.1 MPa系统压力下进行池沸腾传热性能测试.研究表明纳米流体的添加加强了沸腾传热，且随着纳米颗粒浓度的增加，沸腾传热强化倍数增加.低热通量区强化倍数呈上升趋势，高热通量区强化倍数趋于稳定.实验数据与Rohsenow关联式进行对比，结果表明：低浓度纳米流体实验值与Rohsenow关联式比较吻合，但高浓度时Rohsenow关联式不适用；纳米颗粒沉积增加表面粗糙度，从而导致沸腾传热强化，且表示表面接触角变化造成影响可忽略不计. Wen D, Ding Y[7]对Al2O3/水纳米流体在直径为150 mm刨光不锈钢盘中进行池沸腾实验研究，研究表明，纳米流体对沸腾换热强化效果随着纳米颗粒浓度和热流密度的增加而增加，在沸腾换热表面并没发现有纳米颗粒沉积现象.聂宇宏等[8]对Al2O3/水纳米流体在水平管中的沸腾过程进行了数值模拟，得出：纳米流体在水平管内的沸腾阶段与纯水水平管内沸腾阶段相同但纳米流体沸腾更剧烈，速度梯度变化更大，相同截面纳米流体的含气率高于纯水，改善了水平管的流动特性且强化了流体的混合和扰动.Kathiravan等[9]在水平不锈钢管上对多壁碳纳米管/水纳米流体进行了池沸腾研究.在 961，611和508 kW/m2的临界热流密度条件下，体积分数分别为0.25%，0.5%和1.0%的多壁碳纳米管/水纳米流体，沸腾换热系数比纯水沸腾换热系数分别增加了75%，20%和20%.Park K J等[10]对多壁碳纳米管/水纳米流体池沸腾的换热系数和临界热流进行了研究，研究表明：多壁碳纳米管/水纳米流体的沸腾换热系数小于水的沸腾换热系数，但纳米流体临界热流密度明显提高，且发现沸腾换热表面有纳米颗粒沉积.Narayan等[11]为了研究对纳米流体是否增强传热的分歧进行纳米流体沸腾实验，实验结果表明，添加纳米颗粒是否增强传热取决于固体表面粗糙度和纳米颗粒粒径的关系.当实验者采用524 mm表面粗糙度的壁面和47 mm粒径的纳米颗粒进行实验，沸腾换热系数提到大概70%，而当纳米颗粒粒径接近表面粗糙度时，沸腾换热出现明显减弱现象.吴晓敏等[12]对添加TiO2颗粒的R11(三氯一氟甲烷)进行池沸腾实验.铜管下部强化传热最多，前部强化传热较小，上部强化最弱甚至有弱化现象.通过测量实验前后粗糙度，发现铜管上部测温点附近的粗糙度有所降低，铜管前部测温点附近粗糙度略有升高，下部的粗糙度有较大升高，表明纳米颗粒的沉积导致强化传热的现象. 施明恒等[13]将26 nm的铁粉和13 nm的三氧化二铝纳米粉末分别与去离子水配成0.1%，1%，2%的悬浮液，从热物性和加热面特性两方面考虑对悬浮液进行池沸腾实验.研究表明纳米颗粒加入增加基液导热性，降低了基液表面张力，强化液体内部能量传递从而导致沸腾换热得到强化，但在沸腾过程中纳米颗粒的沉积和填充使表面粗糙度减小反而导致沸腾恶化.薛怀生等[14]对多壁碳纳米管纳米流体进行池沸腾实验，实验结果表明随着沸腾时间的延长，纳米颗粒的添加会呈现对传热不同的影响.初期纳米颗粒的沉积和结垢会增强加热表面润湿能力，多孔介质也为沸腾提供大量汽化核心，从而增强传热；随着沸腾时间的延长，纳米颗粒的沉积和结垢会使垢层厚度增加、毛细孔直径减小、孔隙率减小，从而弱化沸腾.Liu[15]等人提出了微液层蒸发的观点，当微液层蒸发发生时，固体纳米颗粒附着在固体表面，增强壁面的润湿性，从而导致了传热传质过程的改变.周乐平，王补宣[16]从纳米颗粒的尺寸效应和表面吸附出发,并考虑颗粒Brown运动引起的颗粒输运过程等因素，建立低浓度非金属纳米颗粒悬乳液有效导热系数模型.研究结果表明尺寸效应和表面吸附是悬浮液导热系数增加的主要因素，颗粒输运过程起到的作用很小.肖波齐等[17]考虑了纳米流体在对流换热下纳米颗粒的布朗运动及自然对流时活化穴遵循分形分布，以分形的角度推导纳米流体对流换热解析解.李祥东，屠基元[18]考虑纳米颗粒沉积，根据实验数据拟合得到纳米流体核态沸腾参数的计算公式，且拟合得到模型数值计算结果与实验数据一致.Taylor等[19]讲池沸腾经典Rohsenow公式与大量纳米流体池沸腾实验数据进行了对比，研究表明当表面常数Csf在0.006 5～0.018之间时，经典Rohsenow公式可以很好地预测各种工况池沸腾实验数据，由于表面常数Csf取决于加热壁面形态及物性，推导出纳米流体沸腾传热性能不同于纯基液的主要原因时由于纳米颗粒沉积引起的表面形态修正和物性修正.由于纳米颗粒粒径非常小，Stokes数远小于1，认为纳米流体追随流体运动，且添加到基液中对液体物性的影响可忽略不计，因此，可将纳米流体看做是气-液两相流，双流体模型控制方程的通用形式如下：▽▽φk))=αkSk+ckj(▽φj-▽式中：k，j为相标记(k=l或v，j=l或,Γ,S分别代表体积分数(αl+αk=1),密度，两相流变量，速度矢量，湍流扩散项，源项，ckj(▽φj-▽φk)为从j相到k相φ的传输速率，kj表示从j相到k相的传质速率，表示相间传质引起的传输速率.核态沸腾壁面热通量采用RPI模型(热流分区)，热流分为3部分：由蒸发导致的热通量qe，由淬熄引起的热通量qq和对流引起的热通量qc，定义如下：q=+qq+qcqc=AcStρlcplul(TW-Tl)式中，dbW，f，n，tW，St，Aq，Ac分别表示气泡脱离直径，气泡脱离直径，汽化核心密度，气泡等待时间，当地斯坦顿数，激冷面积分量和对流面积分量. Tolubinsky和Kostanchuk[20]经整理得到气泡脱离直径关于液体过冷度ΔTsub 的函数的函数：Phan[21]等提出了关于核态池沸腾的气泡脱离直径关联模型，是壁面润湿角和过冷度的函数，并被证明有较好适用精度，形式如下：式中：Cbw为经验参数，一般为0.626 977；σ为表面张力.本文根据现有实验数据拟合气泡脱离直径关联公式，形式如下：dbW=4.113 46×10-4+Wang[22]构建汽化核心密度关联模型，形式如下：基于纳米流体实验数据，我们仿照 Wang-Dhir’s 等关联性构造了一个新的气化核心密度关联模型，形式如下：考虑了由于纳米颗粒的布朗运动的换热影响，扩展了经典的热通量分区模型，引入分形理论来解释纳米颗粒的存在对沸腾传热传质的影响，新壁面热通量分区模型形式如下：q=qe+qq+qc+qBqB为新模型添加量，表示布朗运动引起热通量.其它参数被定义为：tw=0.8/fJasub=ρlCplΔTsub/ρvHfg模拟对象为MIT大学(美国麻省理工学院)测量的纳米流体过冷核态池沸腾实验装置[23].Buongiorno等的实验观察了纯水和低浓度水石英(二氧化硅)纳米流体在大气压力下的核态沸腾过程.实验中，核态沸腾发生在一个长30 mm，宽10 mm的长方形加热器表面，位于底部的中心液体池，四周是一个恒温水浴以保持测试流体温度，尽量减少热损失.为了减少计算成本，建立长300 mm宽150 mm的二维计算域.实验证明，颗粒浓度非常低(≤0.1%)的情况下，在纯水中加入二氧化硅纳米颗粒对的液体物性的改变微不足道(如表面张力、热导率和粘度，纳米流体和纯水比较几乎可以忽略不计).为了考虑表面润湿性能的影响，液体接触角采用22°.模型求解采用CFX4.4软件，相关物理子模型如汽化核心密度、气泡脱离直径等以子程序的形式添加.收敛目标最大3 000次迭代，连续性方程的残差小于1×105.压力-速度耦合采用SIMPLE相间耦合格式，动量方程、湍动能方程和湍动能耗散率方程中，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式.图1为气泡脱离直径与壁面过热度关联图，图中可以看出纯水沸腾实验中气泡脱离直径大小幅度大，但在壁面过热度高于10 K时，气泡脱离直径大部分均处于0.75～1.0 mm之间.而对于水基SiO2纳米流体来说，当壁面过热度在15 K以下时，气泡脱离直径随壁面过热度增高而增加，当壁面过热度大于15 K时，气泡脱离直径有下降趋势并在壁面过热度在30 K时降低到0.5 mm附近.为了进行对比，分别对Tolubinsky等[20]和Phan[21]等提出的气泡脱离直径关联公式(6,7)和拟合得出的气泡脱离直径关联公式(8)进行数值计算.图中所示式(6)拟合结果虽然在壁面过热度在12 K下时气泡脱离直径增长趋势与纳米流体实验数据符合，但在12 K 后与纳米流体气泡脱离直径趋势不相符.式(7)为纯水气泡脱离直径关联公式数值模拟结果，虽然与纯水实验数据基本吻合但在图中可以明显看出纯水与纳米流体在气泡脱离直径实验数据上有明显区别，所以用纯水关联公式对预测纳米流体沸腾传热有一定局限.本文用拟合实验数据得到关联公式(8)进行数值模拟，模拟结果与实验数据吻合性高.图2为汽化核心密度与壁面过热度关联图，从图中可以看出纳米流体沸腾实验相对于纯水沸腾汽化核心密度发生明显变化，在壁面过热度为10～15 K之间纯水汽化核心密度随壁面过热度增加增长迅速，远远大于纳米流体沸腾实验数据.本文对式10提供的汽化核心密度关系式进行数值模拟，并对不同液体接触角计算结果进行比较.图中可以看出液体接触角为18°时，模拟结果与纳米流体实验结果相吻合，随着液体接触角的增大，相同壁面过热度下汽化核心密度模拟结果增加，在静态接触角达到40°时，模拟结果偏向于纯水实验结果.这表明基于纯水得到的汽化核心密度关联公式不适用于纳米流体沸腾的预测，也表明纳米颗粒的添加壁面润湿性，从而使壁面成核密度发生了变化.图3中的曲线代表预测沸腾曲线，即壁面过热度和热流曲线，在给定总热通量条件下计算壁面过热度.在图中可以看出不论是纯水还是纳米流体，热流密度增加都会导致壁面过热度增加，但在相同热流密度下，水基SiO2纳米流体壁面过热度明显大于纯水，再一次证明纯水关联模型不适用于纳米流体.本文分别对RPI模型和添加由于纳米颗粒布朗运动引起热通量的新模型进行模拟.对于RPI模型来说，改变液体接触角对模拟结果有不同影响，随着液体接触角增加，对于给定热流密度，壁面过热度随着液体接触角的增加而降低，图中可以看出当液体接触角为18°时，模拟结果与纳米流体实验数据吻合，而当液体接触角为40°时，模拟结果更偏向于纯水沸腾实验结果.对于添加布朗运动的模拟结果而言，模拟结果与纳米流体实验数据吻合性高，并且当努谢尔特数为200时，模拟结果吻合最好.图4为传热系数与热流密度关联图，传热系数计算式如下：式中，q''，Tsup，Tsub分别代表热流密度、壁面过热度、液体过冷度.图4中可以看出对于给定热流密度，纳米流体的传热系数相对于纯水传热系数减少一半，以此推断对于该实验中纳米流体临界热流密度相对于纯水将增加一倍，并且在该实验中，实验数据表明纯水和水基SiO2纳米流体临界热流密度测试结果最高分别为1 000和1 900 kW/m2模拟结果与图1，2，3相似，当液体接触角为18°时，模拟结果与纳米流体实验数据吻合，而当液体接触角为40°时，模拟结果偏向于纯水实验数据.对纳米流体的研究重视程度逐年增高，纳米颗粒的存在导致气泡脱离直径、汽化核心密度和气泡脱离频率等沸腾参数的变化使得纳米流体与纯基液沸腾有很大不同.纳米流体沸腾两相流机理是今后纳米流体应用于各领域的瓶颈，从机理上分析并预测纳米流体沸腾将成为研究重点，本文简介纳米流体并对水基SiO2纳米流体进行数值模拟，结论如下：(1)大量的纳米流体实验研究表明纳米流体对于换热特性的增加或减少存在很大分歧，纳米流体沸腾过程气泡的长大、脱离、运动、聚合、破裂机理理论模型是纳米流体核态沸腾两相流理论方面的研究重点和难点；(2)确立沸腾过程气泡脱离直径、汽化核心密度、气泡脱离频率等沸腾物性参数对于精确预测纳米流体沸腾至关重要，本文所建立的模型模拟结果与实验数据相吻合；(3)液体接触角的改变对模拟结果有较大影响，对液体接触角的研究将成为建立纳米流体沸腾模型重点.【相关文献】[1] Choi S U S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, developments and applications of non-newtonian flows[J]. Asme Fed Applied Physics A， 1995，( 66) :99-105.[2] 史保新，刘良德，邓晨冕.纳米流体在制冷及冷却中的应用研究进展[J].材料导报, 2012, 26(20): 32-43.[3] Barber J，Brutin D,Tadrist L.A review on boiling heat transfer enhancement with nanofluids[J]. Nanoscale Research Letters,2011，6(1)：1-16.[4] Buongiorno J,Hu L W,Apostolakis G,et al.A feasibility assessment of the use of nanofluids to enhance the in-vessel retention capability in light-water reactors[J].Nuclear Engineering and Design,2009,239(5)：941-948.[5] 赵言冰,施明恒.纳米尺度固体悬浮颗粒强化池沸腾换热的实验研究[J].能源研究与利用,2002,(3):18-20.[6] 唐潇，刁彦华，赵耀华，等.δ-Al2O3-R141b纳米流体的池内核态沸腾传热特性[J].化工学报，2012,63(1)，63-69.[7] Wen D， Ding Y.Experimental investigation into the poolboiling heat transfer of aqueous based alumina nanofluids[J]．Journal of Nanoparticle Research,2005,(7):265-274．[8] 聂宇宏，周长江，姚寿广，王公利.纳米流体水平管内沸腾流型的模拟研究 [J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2013,27(4):371-375.[9] Kathiravan R， Kumar R， Gupta A， et al． Pool boiling characteristics of carbon nanotube based nanofluids over a horizontal tube[J]． Journal of Thermal Science and Engineering Applications， 2009， 1(2): 022001-022008．[10] Park K J， Jung D S， Shim S E. Nucleate boiling heattransfer in aqueous solutions with carbon nanotubes up tocritical heat fluxes[J]. International Journal of Multi-phase Flow， 2009， 35(6): 525-32．[11] Narayan G P, Anoop K B, Das S K.Mechanism of enhancement/deterioration ofboiling heat transfer using stable nanoparticle suspensions over vertical tubes[J].Journalof Applied Physics, 2007, 102 (7): 4317-4317.[12] 吴晓敏,李鹏,李辉,等.添加有TiO2纳米颗粒的R11池沸腾换热研究[J]. 工程热物理学报, 2008,29(1):124-126.[13] 施明恒,帅美琴,赖彦愕,等.纳米颗粒悬浮液池内泡状沸腾的实验研究[J].工程热物理学报，2006,27(2)，298-300.[14] 薛怀生.多壁碳纳米管悬浮液沸腾换热性能研究[D].杭州:浙江大学,2007.[15] Liu Z and Liao L.Sorption and Agglutination Phenomenon of Nanofluids on a Plain Heating Surface During Pool Boiling[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2008,51(19)：2593-2602.[16] 周乐平，王补宣. 颗粒尺寸与表面吸附对低浓度非金属纳米颗粒悬浮液有效导热系数的影响[J].自然科学进展， 2003, 13(4): 426-429.[17] 肖波齐,范金土,蒋国平,陈玲霞. 纳米流体对流换热机理分析[J]. 物理学报, 2012, 61(15): 323-328.[18] 李祥东，屠基元.纳米流体核态沸腾的机理探讨及数值模拟[J]. 工程热物理学报, 2013, 34(6): 1096-1100.[19] Taylor R A, P E Phelan. Pool Boiling of Nanofiuids:Comprehensive Review of Existing Data and Limited New Data[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2009,52(23/24): 5339-5347.[20] Yeoh G,Tu J. Modeling Subcooled Boiling Flow[M]. New York: Nova Science Piblishers, 2009: 5-36.[21] Li X,Li K,Tu J,Jacopo Buongiorno. On two-fluid modeling of nucleate boiling of dilute nanofluids[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2014,69:443-450.[22] Wen D，Ding Y.Experimental investigation into the poolboiling heat transfer of aqueous based alumina nanofluids[J]． Journal of Nanoparticle Research,2005,7(2):265-274．[23] 袁杨，李祥东，屠基元. 纳米流体沸腾模型中某些物理参数的理论探讨[J]. 清华大学学报 (自然科学版), 2015, 22(7): 815-820.。

基于RPI沸腾模型的液氮池内核态沸腾过程模拟与分析吴舒琴;李亦健;魏健健;金滔【摘要】为探究液氮的池内核态沸腾过程,使用RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)沸腾模型对液氮池内核态沸腾阶段不同壁面过热度下的沸腾工况进行了数值模拟.计算得到的液氮核态沸腾区域的沸腾曲线与文献中的实验结果相吻合,验证了RPI沸腾模型和相关沸腾参数模型用于液氮核池沸腾模拟的可行性.依据气相分布云图讨论了不同过热度工况下沸腾发生过程中气液相分布的变化情况,并分析了气相的生成和上升过程.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】6页(P27-32)【关键词】液氮;池沸腾;核态沸腾;数值模拟【作者】吴舒琴;李亦健;魏健健;金滔【作者单位】浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TB611 引言液氮等低温流体被广泛用于超导体冷却、航空航天、低温医疗等领域，其中许多方面都涉及到低温流体的沸腾换热过程，如低温储罐及管道的冷却、低温流体的生产设备等。

沸腾是复杂的换热现象，涉及的影响因素众多。

池沸腾有以下几个阶段：自然对流区、核态沸腾区、过渡沸腾区和膜态沸腾区。

其中核态沸腾区温压小、传热强，许多工业应用都会选择此区域。

学者们对常温流体池沸腾已有较为充分的研究，现有的沸腾换热关联式及机理模型大都基于常温流体建立。

液氮等低温流体的表面张力和接触角小、蒸发潜热低，热物性与室温流体有较多不同，许多常温流体沸腾的研究结果不可直接应用于低温流体[1]。

在20世纪五六十年代，出于航空航天及低温推进剂的应用需求，针对低温流体沸腾换热的研究开始兴起[2]。

液氮核态池沸腾CFD模拟和可视化实验
熊炜;汤轲;陈建业;王宇辰;张小斌
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2014(000)005
【摘要】为探究低温流体池内核态沸腾机理,对液氮池内核态沸腾进行了计算流体力学(CFD)建模及实验研究.除了探究过热度和热流关系,重点分析过热度对气泡脱离直径和频率影响.根据实验观测,将核态沸腾过程分为3个阶段:低热流阶段;过渡沸腾阶段;完全核态沸腾(FDNB)阶段.基于得到的沸腾过程气泡直径及频率,构建了核态沸腾CFD数值模型,得到的过热度及热流密度关系,与实验测量得到的数据吻合.【总页数】5页(P6-9,33)
【作者】熊炜;汤轲;陈建业;王宇辰;张小斌
【作者单位】浙江大学低温与制冷研究所杭州310027;浙江大学低温与制冷研究所杭州310027;浙江大学低温与制冷研究所杭州310027;浙江大学低温与制冷研究所杭州310027;浙江大学低温与制冷研究所杭州310027
【正文语种】中文
【中图分类】TB61;TB69
【相关文献】
1.蒸发温度对强化换热管管外核态池沸腾换热性能的影响 [J], 欧阳新萍;包琳琳;邱雪松
2.基于碳纳米管的含油纳米制冷剂核态池沸腾换热特性 [J], 庄大伟;彭浩;胡海涛;
丁国良;朱禹
3.过冷核态池沸腾汽泡扫荡中表面张力作用分析 [J], 周乐平;李媛园;魏龙亭;杜小泽
4.核态池沸腾换热的数值模拟 [J], 吴玉庭;杨春信;袁修干
5.含油金刚石纳米制冷剂的核态池沸腾换热特性 [J], 庄大伟;彭浩;胡海涛;丁国良;朱禹
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R170、R600a纯质及其二元混合物池内核态沸腾换热可视化实验研究的开题报告一、研究背景和意义氟盐替代剂（即R22、R134a等）在使用过程中存在环境污染和破坏臭氧层的问题，因此研究和开发适合替代剂的制冷剂是当下制冷学界的热点方向。

R170和R600a作为天然制冷剂具有潜在的应用价值。

纯质R170(乙烷)和R600a(异丙烷)以及它们的混合物在制冷技术中广泛应用，同时也是液化石油气的主要组成部分。

近年来，二元混合物R170/R600a 也正在成为一个新的天然制冷剂替代方案。

因此，对R170/R600a混合物的性质和性能进行深入研究至关重要。

此外，核态沸腾作为一种特殊的换热过程，具有高热传导性和较大的传热强度等优点，正在被广泛应用于热管、核反应堆和电子器件冷却等领域。

因此，掌握不同制冷剂在核态沸腾换热过程中的传热特性，对于开发高效、安全、环保的制冷系统具有重要意义。

基于以上背景，本研究计划开展纯质R170和R600a以及它们的二元混合物在池内核态沸腾换热过程中的可视化实验，以探究它们的传热机理和性质，为未来制冷系统开发和设计提供技术支持和理论指导。

二、研究内容和方法1.研究内容（1）通过采用可视化技术，开展R170、R600a和R170/R600a二元混合物的池内核态沸腾实验，观察和记录沸腾现象，并分析其传热特性和机理。

（2）通过对实验过程中的传热参数（如液体温度、蒸气温度、加热功率等）进行测量和分析，得到不同制冷剂的传热性能参数，并进行比较和分析。

（3）参考相关文献和实验数据，分析不同制冷剂的热物性质，验证其热传导与换热系数之间的关系。

2.研究方法（1）实验装置：采用单液池式池内核态沸腾换热器，系统主要由加热器、热交换器、玻璃观测窗和传感器等组成。

（2）实验材料：利用高纯度R170、R600a、以及R170/R600a二元混合物作为实验材料，蒸发温度和压力条件下均符合工业需要。

（3）实验过程：按照实验计划和程序依次进行R170、R600a、R170/R600a的核态沸腾换热实验，分别记录温度、压力、加热功率等参数，并进行图像和视频记录和观察，同时通过数据分析和处理，得到实验结果和结论。