沸騰氣泡生長及相變界面特性的多尺度數值模擬

《沸騰氣泡生長及相變界面特性的多尺度數值模擬》是依託重慶大學，由李隆鍵擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：沸騰氣泡生長及相變界面特性的多尺度數值模擬
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李隆鍵
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

沸騰傳熱現象廣泛存在於反應堆熱工、航天、能源與動力以及石油化工等工程領域。氣泡生長過程是確定沸騰傳熱性能的關鍵因素，而加熱壁面上成核氣泡在各種力以及熱質傳輸作用下的相變界面特性決定了氣泡生長過程。由於氣泡生長過程中尺度變化範圍大（0.1μm~1mm數量級），不便於用單一的尺度模型來描述其相變界面特性。本項目提出建立沸騰氣泡生長過程的分時段、多尺度整體數值分析模型，模擬氣泡成核至氣泡脫離的整個生長過程，並進行窄縫內流動沸騰氣泡生長可視化實驗，對多尺度模型及相應的計算方法進行驗證。在此基礎上，對沸騰氣泡生長過程相變界面傳輸特性進行研究，揭示其對加熱壁面上沸騰傳熱的影響機理及規律。本項目研究不僅建立了整個氣泡生長過程的完整理論模型以及模擬計算方法，系統、深入揭示沸騰氣泡相變界面傳輸特性及變化規律，而且為臨界熱流密度的準確預測奠定了基礎，具有廣泛而重要的工程實際意義和學術價值。

結題摘要

加熱壁面上成核氣泡在各種力以及熱質傳輸作用下的相變界面特性決定了氣泡生長過程。研究氣泡成核、長大及脫離的整個生長過程，以及伴隨該過程的對流和微尺度傳輸現象，在核能、航天、材料等技術領域以及能源、動力、石油、化工、冶金等工業中具有重要的研究意義。目前，人們對於這一系列複雜科學問題的認識和研究還遠遠不夠。無論是採用理論分析、傳統的場模擬方法、還是實驗方法開展研究，都具有相當的難度。因而需要開拓新的研究思路。考慮到作為介觀尺度方法之一的格子Boltzmann 方法在處理微觀相互作用明顯系統時所具有的獨特優點，本項目旨在進行基於格子Boltzmann 方法的氣液相變及多相流動問題的數值模擬研究，結合巨觀CFD模擬方法，對氣泡生長過程及多相流動中蘊含的科學問題進行深入探討。目前項目組在前人的研究基礎上，考慮外力及流體壁面間的作用力，耦合相變，進一步改進體積力的求取方法，運用精確差分方法，提出了兩種改進模型。利用模型考察了重力加速度及接觸角對池沸騰中氣泡生長過程的影響、水平方向加速度對流動沸騰中氣泡生長過程的影響，以及不同流體與壁面間的作用強度對凹坑氣泡成核過程的影響，詳細地再現了氣泡成核、長大及脫離過程，對相變及氣泡形變等物理驅動機制進行了分析。對狀態方程中參數的選取對模型的影響進行了探討。提出了一種簡單的修正狀態方程參數的方法，引入常數k，構造出一種表面張力可調的格子Boltzmann模型，並討論了k值的選取對模型模擬界面現象及相變過程的影響。運用自由能模型，結合相變過程，對定壁面溫度下氣泡生長過程進行了數值模擬。計算結果能準確描述氣泡生長過程的各個階段；計算所得溫度場給出了氣泡生長及脫離對流體和壁面溫度的影響。完成了氣泡動力學整體耦合計算模型和計算方案，經過數十次的耦合計算嘗試，發現CFD方法處於巨觀尺度範圍，處理的格線尺寸以及氣泡直徑在大於10-6m的範圍，LBM模擬的氣泡直徑在小於10-6m範圍，超過各自範圍時，數值穩定性和收斂性變差。按照目前的數值計算技術，不能實現兩種尺度的銜接和跨越。進一步的工作期待LBM模擬的氣泡尺度範圍有所突破。建立了可視化流動沸騰實驗台，進行氣泡脫離直徑和脫離頻率的可視化實驗，並考察不同加熱密度下工質（水）壓力、流速對沸騰換熱及氣泡脫離直徑和脫離頻率的影響。