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窄流道内高过冷流动沸腾条件下的汽泡演化特性及机制
摘要
本文研究了窄流道内高过冷流动沸腾条件下的汽泡演化特性及机制。通过实验和数值模拟，发现汽泡大小、形状、运动速度等与过冷度、流速等因素有关。分析了导致汽泡生长和破裂的机制，包括沉积、内部蒸汽压力和液滴撞击等。最后，讨论了窄流道内高过冷流动沸腾对流体流动和传热性能的影响。
关键词：窄流道；高过冷；沸腾；汽泡演化；传热性能
引言
近年来，窄流道内流动沸腾已成为热工领域的研究热点。窄流道的特殊几何结构使得流动沸腾现象更为明显，而高过冷度使得汽泡的生长和破裂更加频繁。流动沸腾的特点之一是汽泡的演化过程，汽泡大小、形态和运动速度等与物理参数密切相关。因此，研究窄流道内高过冷流动沸腾条件下的汽泡演化特性及机制，对于深入理解流动沸腾现象，提高其传热性能具有重要意义。
本文采用实验和数值模拟相结合的方法，研究了窄流道内高过冷流动沸腾条件下的汽泡演化特性及机制。首先介绍实验和数值模拟的方法，然后讨论汽泡的大小、形态和运动速度随流速和过冷度的变化规律。接下来，分析导致汽泡生长和破裂的机制，包括沉积、内部蒸汽压力和液滴撞击等。最后，讨论窄流道内高过冷流动沸腾对流体流动和传热性能的影响。
实验方法
实验采用一根长为500mm、直径为4mm的玻璃毛细管，将其一个端口置于液面以下，另一个端口与压力传感器相连。在实验过程中，维持毛细管内的水温为25°C，将压力传感器读数转化为流速。通过调节加热器功率，可以获得不同的过冷度。实验时使用高速摄像机记录汽泡形态及运动轨迹，利用图像处理方法对汽泡大小、形状等进行量化分析。
数值模拟方法
数值模拟采用Fluent软件，将窄流道建模为长方体，采用VOF（volumeoffluid）方法模拟气液两相流动。考虑压力、速度和温度等物理场的相互作用，求解了流场和热场的分布。通过对汽泡演化过程的数值模拟，可以获得汽泡大小、形状、运动速度等重要参数。
汽泡演化特性
1.汽泡大小与过冷度的关系
实验结果表明，过冷度越大，汽泡大小越小，与此同时，沸腾传热强度也随之增加。这是由于在高过冷度下，汽泡的破裂速率更快，汽泡表面容易形成气泡核心，从而使汽泡大小减小。数值模拟结果也表明了这一规律。
2.汽泡形状随流率变化的规律
实验和数值模拟结果表明，汽泡的形状与流率、流速有关。在低流速下，汽泡主要为球形，而在高流速下，汽泡则呈现出流线型和椭球形。这是由于在高流速下，汽泡在流动中受到拖曳力的作用，形态受到限制。
3.汽泡运动速度与流速的关系
实验结果表明，随着流速的增加，汽泡的运动速度也随之增大，这与理论预测相符合。分析发现，流速增加意味着汽泡所在液体也跟着加速，这就导致汽泡受到的浮力和阻力等力的大小也相应增大。
汽泡演化机制
1.沉积
实验和数值模拟结果都表明，沉积是导致汽泡生长和爆炸的一个重要因素。在高过冷条件下，沉积会导致汽泡表面形成气泡核心，从而增加汽泡壁厚度，增加汽泡破裂难度。数值模拟显示，沉积还会加大阻力和浮力，影响汽泡的运动。
2.内部蒸汽压力
实验和数值模拟结果表明，汽泡破裂往往与内部蒸汽压力有关。在高流速和高过冷度下，汽泡内部压力急剧上升，从而导致汽泡破裂。而在低流速和低过冷度下，由于汽泡内部蒸汽压力较低，汽泡的破裂需要较长时间。
3.液滴撞击
实验和数值模拟结果表明，液滴撞击也是导致汽泡破裂的一个重要因素。液滴撞击汽泡表面时会增加汽泡内部蒸汽压力，从而破坏汽泡的形态稳定性。
影响传热性能
窄流道内高过冷流动沸腾对传热性能有一定的影响。实验结果显示，高过冷度条件下，流动沸腾传热系数相对较大，而且汽泡数目增加，汽泡尺寸减小，这都有助于增加传热强度。但是，在流速较高的情况下，汽泡的形态受到约束，沉积也加大，从而抑制了传热的增强作用。
结论
本文研究了窄流道内高过冷流动沸腾条件下的汽泡演化特性及机制。实验和数值模拟结果显示，汽泡大小、形状和运动速度等与过冷度、流速等因素密切相关。导致汽泡生长和破裂的机制包括沉积、内部蒸汽压力和液滴撞击等。此外，此类流动沸腾现象对传热性能也有一定影响。本研究对窄流道内高过冷流动沸腾现象的研究具有一定的实际应用价值。