微重力下的沸腾.ppt

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1、微重力下的沸腾传热,内容概要：1 微重力下气泡的运动变化和传热性能 2 微翘片的芯片和光滑芯片的沸腾性能比较 3 气泡的尺寸和发泡频率,概念：（1）过热度：过热度指的是加热壁温高于对应压力下的饱和温度的程度。T=T w T sat压力升高，液体的饱和温度也是升高的。当加热壁温不变，提高压力时，则液体的过热度降低。,（2）过冷度：物质结晶时的温度称为理论结晶温度，但是实际结晶时，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象成为过冷现象。过冷度 T sub=T iTP,（3）沸腾临界点CHF:当温度达到由泡核沸腾转变为膜态沸腾所对应的值T时，称为沸腾临界点。这时加热表面上的气泡很多，气泡连成一片，

2、覆盖了部分加热面。由于气膜的传热系数低，加热面的温度会很快升高。,（4）失重,1.1 微重力简介：（1）微重力的研究背景：常重力下的沸腾传热研究已经很成熟了，对于微重力下的沸腾传热却在最近几年刚开始的，所以对它的沸腾了解却不足。（2）沸腾态的选择：与膜态沸腾相比，核态沸腾传热系数高，传热稳定，多用在实际应用中。,1 微重力下气泡的运动变化和传热性能,（4）微重力研究方法：利用中科院国家微重力实验室提供的百米落塔平台，进行研究。实验液体：FC-72（氟化物）实验特点：时间短34s，过程控制难，费用高,（3）微重力研究的意义：未来太空的应用。,1.2 沸腾机理和气泡受力分析：1.2.1 常重力下（

3、1）沸腾机理：首先加热液体的过热是产生小气泡的必要条件，即液体的温度高于气泡所对应的饱和温度。二是加热界面要存在气化核心，一般认为粗糙表面的消息凹缝易于成为气化核心。三是液体的导热系数、密度越大传热系数越大，而粘度、表面张力越大传热系数却越小。提高沸腾压力相当于提高液体的饱和温度，使液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离。,（2）气泡在常重力下的受力分析：驱动力：F浮力：浮力，最主要的动力，所以气泡可以不断地离开加热表面。F惯性力：较小 F压力差：影响不大。阻力：F重力：重力很小不考虑。F粘性阻力：主要的阻力之一 F表面张力：主要的阻力之一 F Marangoni 力：表面张力梯度

4、所引起的力，不考虑。在常重力下主要考虑F浮力、F粘性阻力、F表面张力,1.2.2 微重力下（1）沸腾机理：微重力沸腾所需的条件和常重力差不多一样，但沸腾现象和机理却有很大的差别，因为气泡受力发生很大的变化。,（2）气泡在微重力下的受力分析：驱动力：F浮力：浮力变得很小可忽略，所以气泡不易离 开加热表面。F惯性力：可以认为和常重力一样不变 F压力差：可以认为和常重力一样不变,阻力：F重力：重力很小可忽略 F粘性阻力：可以认为和常重力一样不变 F表面张力：可以认为和常重力一样不变 F Marangoni 力：在微重力时是影响很大的阻力 我们主要考虑 F浮力、F Marangoni 力,实验装置图,

5、1.3 实验部分：,试验设备：电源：给液体加热，是液体沸腾高速摄影机：把沸腾时，气泡的运动情况拍下来光源：拍照的时候，可以获得较高的清晰度液池：装液体的装置温度传感器：测量液体和加热芯片的温度数据采集器：显示温度、加热电流橡胶袋：使整个过程，压力维持不变芯片：用来加热液体的界面体,编号,实验条件表格1,表格1说明：SI0.20、SI0.24、SI0.30、SI0.36、SI0.40是实验编号；P 是实验压力差不多都维持在一个大气压下；T l 是实验液体的初始温度，差不多都相等，为15；T sub 是过冷度，都维持在4041；I 是电源所提供的电流，分为0.20A、0.24A、0.30A、0.3

6、6A、0.40A，这是实验的对比参数。我们列举电流I分别为0.20、0.36、0.40A这三种情况。I=0.20 为低热流、I=0.36 为中热流、I=0.40 为高热流。,低热流,光滑的芯片,进入微重力前：气泡不断地生长，脱落，而且维持稳定的核态沸腾状态（a）。进入微重力后：气泡尺寸尺寸变大，而且没有气泡从表面脱离的现象（c）。（d）气泡之间发生合并形成相对大的球形气泡。（e）从加热面中心游离到边缘。,图片上的时间负的，表示还没有进入微重力状态，时间正的，表示进入微重力。（a）（b）（c）（d）（e）是不同时间气泡的运动情况。,电压,加速度,微重力前：壁温T w 和加热电压U heating

7、保持不变；微重力后：壁温T w 和加热电压U heating保持不变；加热表面壁温相比常重力条件保持不变，而且不随气泡行为的改变而改变，表明稳态池沸腾现象在微重力条件下可以获得。,中热流,光滑的芯片,微重力前：（a）气泡更多，运动更激烈微重力后：（b）（c）相邻气泡合并形成更大的 合并气泡，并不断捕获它周围的零星小气泡。（d）合并气泡被周围气泡从加热表面挤压，由于表面张力作用形状发生变化。（e）合并气泡由于其下面的微层蒸发和由合并引起的表面剧烈振荡作用，使得合并气泡从加热表面脱离。,随着时间的增加，壁温在逐渐升高直到达到最大峰值，然后逐渐降低，并同时调整曲线达到准稳态状态，最后在微重力条件下实

8、现准稳态核态池沸腾。加热电压不变。,高热流,光滑的芯片,微重力前：（a）气泡很多，运动很激烈。微重力后：（b）气泡合并大气泡（c）合并气泡保持半球形，是因为气泡顶部的冷凝和底部小气泡的合并达成平衡。（d）气泡的形状变成椭球型而且界面变得更为光滑，是因为液体的过冷度较高导致气泡顶部的冷凝加强。（e）气泡不离开界面。,（a）（b）T w和加热电压U heating不变。（c）（d）（e）由于生成的气泡没有离开加热壁面，使得传热系数降低，所以壁温T w和U heating快速升高。表明沸腾换热恶化，可能提前发生临界热流或转变为膜态沸腾。,2 微翘片的芯片和光滑芯片 的沸腾性能比较 实验条件：除了芯片

9、表面的结构不一样，其它条件都一样。,表面光滑的芯片,电流 I=0.4A 过冷度T sub=41 高热流,微重力前：（a）气泡由于浮力，不断地离开加热表面。微重力后：（b）气泡合并大的气泡，由于较弱的浮力，气泡可以离开加热界面。（c）气泡变大，变成球形并且覆盖加热界面。（d）气泡保持球形，覆盖加热界面，不离开加热界面，是因为气泡顶部的冷凝和底部小气泡的合并达成平衡。,（a）（b）：壁温T w和加热电压U heating保持不变。（c）（d）:壁温T w和加热电压U heating都急剧增大。,微翘片的粗糙芯片,电流 I=0.5A 过冷度T sub=41 高热流,微重力前：（a）气泡更多，更激烈，

10、因为微翘片的表面有更多的气化核心，有利于传热。微重力后：（b）气泡不断地捕捉周围的小气泡，不断变大，并离开加热表面。（c）气泡不断地变大，变成球形，覆盖在加热表面。（d）大气泡离开加热表面，是因为由气泡和在气泡下面微层液体所接触的界面而产生的毛细力，使得其它液体可以进入到加热界面接触。,气泡和在气泡下面微层液体所接触的界面而产生的毛细力，使得其它液体可以进入到加热界面接触。,（a）（b）（c）（d）壁温T w和加热电压U heating都保持不变可以保持稳定核态沸腾，传热系数和传热性能都比光滑芯片的好。所以我们可以选择微翘片的芯片作为微重力下的研究对象。,3 气泡的尺寸和发泡频率,重力加速度越

11、小，气泡脱离直径越大。因为浮力的驱动作用变得非常小，气泡不易离开表面，所以停留时间长，可以生长得更大。,重力加速度越小，气泡不易离开表面，所以停留时间长，使得鼓泡频率降低。,强迫对流速度越大，使得表面生成的气泡更容易脱落随流体一起离开，所以直径越小。,强迫对流速度越大，使得表面生成的气泡更容易脱落随流体一起离开，所以鼓泡频率增大。,总结：沸腾传热因其传热能力高在地面和空间散热技术中有显著的应用价值。目前，有很多国内外学者从事于微重力沸腾传热的研究，虽取得一定的成果，可是微重力下的沸腾比常重力的更加复杂，所以在很多基本问题上没有达到一致的结论，甚至存在明显的矛盾。所以在这一方面研究需要更多的探索。,