竖直通道内附壁气泡的受力分析 管鹏.doc

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：113287 竖直通道内附壁气泡的受力分析 管鹏 贾力 银了飞 王硕 胡东旭 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 ，100044） Tel，E-mail：ljia@bjtu.edu.cnbjtu.edu.cn 摘要：通过实验方法，采用高速摄影仪观察了环形通道内，竖直加热壁面上气泡的存在和运动状态，记录了气泡前、后接触角，倾斜角及气泡脱离直径随气泡附壁直径的变化情况。结合附壁单气泡的受力分析，分析了作用在气泡上的各作用力随气泡附壁直径的变化规律，研究结果显示：同等工况下，气泡附壁直径越大，对应的脱离直径越大，这一点与可视化实验观察结果一致。 关键词：竖直壁面；气泡附壁直径；气泡受力分析，脱离直径 0 前言 沸腾作为以一种高效传热方式在当今工业领域得到了广泛应用。因为沸腾过程中伴随着气泡的产生和运动，而气泡的这种生长和运动对沸腾过程中的传热和流动产生了非常大的影响，使得对气泡动力学的研究得到了越来越多的关注。气泡动力学主要研究气泡在液体中长大和运动的规律，对于存在加热壁面的情况，则需要研究气泡在加热壁面上的成长和脱离的规律和条件。气泡的生长过程也是作用在气泡上的各种作用力不断发生变化的过程，而气泡的脱离，则是气泡的受力平衡被打破的结果。因此，对气泡进行受力分析是描述和预测气泡生长和运动的重要手段，也是气泡动力学研究的重要内容。 许多研究者也对此展开研究，Mei和Klausner等[1,2] 对作用在球形气泡上的切升力（Shear lift force）和不稳定力（Unsteady force）分别进行了理论分析，给出了切升力和不稳定力的数学描述。随后，Mei和Klausner等[3]在水平放置，截面尺寸为25mm×25mm的方形通道内进行了沸腾可视化实验，提出了关于附壁单气泡受力模型，并通过此模型预测出了气泡的脱离直径，与实验数据吻合较好。但Van Helden等[4]通过对垂直放置，截面尺寸为20mm×20mm的方形通道内人工核化点进行沸腾过程的可视化实验，结合理论分析结果对Mei和Klausner等[3]所给出的受力模型预测气泡脱离直径的方法提出质疑，给出了不同观点。近期，Zu和Yan等[5]利用FLUENT中的VOF模型对微小通道中气泡的生长和脱离进行了数值研究，描述了气泡的脱离过程，得到了汽液界面上的压力分布。Nam和Aktinol等[6]对超亲水表面上的人工核化点进行了实验和数值研究，得到了气泡界面上的温度分布和速度分布，以及气泡上的各作用力随时间的变化规律。 通过对相关文献的分析和总结，发现气泡的附壁直径（气泡与壁面接触面的直径）是分析气泡受力，生长和脱离的重要参数,也有相关文献[7]涉及到这方面的研究。因为作用在气泡上的表面张力，因水压而引起的作用力等的计算都涉及到气泡附壁直径，本文通过对垂直壁面上的气泡的生长和脱离过程进行了可视化实验，结合理论分析，得到了气泡上的各作用力随气泡附壁直径的变化规律，研究结果显示：同等工况下，气泡附壁直径越大，对应的脱离 直径越大，这一点与可视化实验观察结果一致。 国家自然科学基金项目：（No. 1 实验系统 1.1 实验装置及实验过程 实验系统如图1所示。以高压氮气驱动储液罐中经除气处理的去离子水在实验回路中流动，工质由储液罐出口流经过滤器、质量流量计进入实验段。实验段是由一根外径为16mm，加热管长度为400mm的不锈钢电加热管和与其同心的内边长为34mm的方形不锈钢管组成，不锈钢管两个相邻的侧面分别开有长度为200mm 宽度为30mm的石英玻璃视窗，实验段竖直放置，流体自下而上流过实验段，高速摄影系统透过石英玻璃视窗，记录加热壁面上气泡的生长和运动状况。实验段截面图如图2。工质经实验段加热后进入冷凝器冷却后进入液体收集容器，经电子秤称重得出平均质量流量。瞬时质量流量则由上游的科氏质量流量计测得。 图1.实验系统图 本实验研究范围只要集中在低流速和低热流密度的情况下，相关室验参数为，压力：0.1MPa；质量流速：15 kg/(m2·s) ~ 60 kg/(m2·s)；热流密度：12.5kw/m2 ~ 120.4kw/m2；入口温度：60~90摄氏度。 质量流量计（DMF-1-3）测量误差为0.2%，压力传感器误差：0.1% ，热电偶测量误差：±0.1K。 图2.实验段截面图 1.2 实验步骤及数据处理方法 实