池沸騰傳熱過程中微液膜關鍵作用的研究

《池沸騰傳熱過程中微液膜關鍵作用的研究》是依託天津大學，由陳志豪擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：池沸騰傳熱過程中微液膜關鍵作用的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳志豪
• 依託單位：天津大學

項目摘要

在沸騰過程中氣泡底部微液膜的形成及蒸發對傳熱起著極為重要的作用。然而目前對微液膜形成、蒸發等諸特性的了解十分匱乏，沸騰傳熱的機理至今未被闡明。本課題採用可視化實驗方法（雷射干涉法）對厚度在微米量級的微液膜進行測量並開展全面系統化研究。通過同步觀測微液膜及沸騰氣泡的動態成長過程，分析並解明微液膜形成的普遍特性。利用高速紅外熱成像技術對傳熱面溫度分布及動態變化進行測量，並結合微液膜結構的動態變化分析其蒸發特性。在高熱流密度條件下，通過可視化實驗觀察微液膜乾涸與臨界熱流密度出現的相互關係。針對無法開展可視化實驗的金屬傳熱面，基於微液膜結構的可視化測定結果開展跨尺度的數值模擬。通過上述研究明確微液膜在沸騰傳熱中的關鍵作用，同時充分掌握微液膜的形成及蒸發特性，闡明微液膜蒸發的沸騰傳熱機理。

結題摘要

沸騰現象雖然工業套用背景廣泛，但是在其機理方面存在嚴重的認識不足。如套用最為廣泛的核態沸騰領域的傳熱機理，目前已提出如液層瞬態導熱、三相接觸線蒸發和微液膜蒸發等傳熱機理。上述傳熱機理在沸騰傳熱中的正確性、重要性需要通過實驗進行驗證，在此基礎上闡明核態沸騰現象的傳熱本質機理。近年來，由於沸騰氣泡底部微液膜的存在已被多種實驗方法所確認，微液膜蒸發對於沸騰傳熱的作用越來越被重視。另一方面，微液膜的形成及蒸發特性仍未被充分掌握。因此，本項目針對核態沸騰的微液膜蒸發傳熱機理開展基礎研究。主要研究內容如下：1，建立雷射干涉法可視化實驗系統，在沸騰過程中針對微液膜的結構進行高速可視化觀測；2，在全核態沸騰領域內，及從沸騰開始點到臨界熱流密度等廣泛熱流密度範圍內開展實驗研究，確認微液膜存在與否，重點分析臨界熱流密度條件下的實驗結果；3，基於微液膜結構變化的可視化實驗結果，結合數值模擬分析微液膜蒸發特性；4，針對無法開展實驗的非透明（金屬）傳熱面，通過數值模擬分析微液膜的蒸發特性。主要研究結果總結如下。確認了在核態沸騰領域內，高至臨界熱流密度點的不同熱流密度條件下，沸騰氣泡底部均存在微液膜。微液膜基本結構為楔形結構。在中低熱流密度條件下微液膜外緣會出現波峰狀特殊結構，而這一特殊結構在高熱流密度條件下不出現。其外緣處最高厚度不超過10 微米，整體平均度約為5 微米。通過實驗和數值模擬，確認了微液膜蒸發在總蒸發量中占了很大比例。此比例約在30%-70%範圍內，隨著氣泡成核時傳熱面過熱度的增加而單調增加。傳熱面材料熱物性對微液膜蒸發貢獻度有顯著影響，微液膜蒸發量占總蒸發量的比例隨傳熱面材料導熱係數的增加呈單調增加趨勢。通過上述研究，充分掌握微液膜的形成及蒸發特性，基本確認了微液膜在核態沸騰傳熱中的重要作用，闡明了微液膜蒸發傳熱機理的正確性。