微细通道内流动沸腾的气泡行为特性研究

微细通道内的气泡行为包括气泡在通道壁面上的核化、生长、脱离，滑移、合并以及脱离后在通道内的运动轨迹或受限等十分复杂的物理现象，尺度减小造成了势场影响力的变化，表现出了与常规尺度下不同作用机制，通道尺寸效应、截面效应、压力、液体流速和热流密度等对气泡行为以及流型变化的影响规律尚不清晰，关于气泡的微观分析不足，微细通道内气泡的变形未给与充分认识。本课题力图通过构建适用的区域方程，通过解析解和精密的实验观测，研究微细通道内界面传递过程和气泡行为，讨论微细结构对气泡行为的影响，探寻气泡脱离直径和脱离时间的有效描述方法，分析尺寸效应的作用机制，建立气泡行为特性的理论描述。

以微细通道流动沸腾在能源动力等领域的应用为背景，从传热学的基本原理出发，通过实验研究，分析了关键因素对流动沸腾中汽泡行为和两相流型的影响，通过建立汽泡脱离数理模型，来揭示汽泡在各种条件下的脱离特性。通过对不同尺寸的通道内，不同实验工况下的流通沸腾进行可视化实验研究，观测汽泡的各种行为，包括汽泡的聚合、胀缩和滑移等，以及整个通道中流型的分布和变化，发现环形通道中过冷流动沸腾的流型不同于常规通道，实验中观测到三种典型流型：泡状流，弥散泡状流和搅拌流，且三种流型所占据的区域长度随热流密度和质量流量的变化而变化。微小通道中的五种典型流型分别为：泡状流，弹状流，搅拌流，细环流和环状流，且通道尺寸对汽泡行为和汽液两相流型影响显著。通过对可视化实验数据的分析，得到了汽泡直径和汽泡附壁直径随汽泡生长时间的变化曲线，结果显示，汽泡由惯性力控制生长的初期阶段大约维持在0~0.3ms之间，在此阶段内，各工况下，汽泡生长速率非常接近，受实验工况的影响较小；约在0.3ms之后，汽泡进入由热扩散控制生长的后期阶段，汽泡的生长速率在此阶段随实验工况展示出明显的不同，汽泡的生长速率受加热壁面热流密度的影响较为显著，随热流密度的增大而增大。基于对汽泡脱离时汽泡附壁直径与汽泡与脱离直径的关系曲线的分析，总结了汽泡附壁直径和汽泡脱离直径的关系的关联式，根据加热壁面特性和实验工况选取适当的经验参数，该关联式能够较好的反映汽泡临近脱离时，汽泡附壁直径和汽泡脱离直径之间的关系。实验观测到同一工况、同一加热壁面、同一沸腾区域（孤立汽泡区）内的不同核化点上，汽泡脱离直径存在差异的现象，对此现象进行了分析，并通过对汽泡的受力分析，结果显示汽泡的附壁直径对汽泡脱离直径影响显著，汽泡附壁直径越大，对应的汽泡脱离直径越大。通过对不同实验工况下，汽泡脱离直径变化规律的分析，发现在其他工况一定的情况下，汽泡脱离直径随热流密度的增大而增大，随流体质量流量的增大而减小。通道尺寸的变化对汽泡脱离直径的影响显著，汽泡脱离直径随通道尺寸的减小而减小。通过对作用在汽泡上的每个作用力的详细分析，并结合汽泡附壁直径和汽泡脱离直径的关系，基于汽泡受力平衡建立了汽泡脱离直径预测模型，并将模型预测结果与本研究实验数据对比，吻合较好，误差在 以内，与文献中的实验数据的比较，考虑到统计误差等因素，也取得了较好的一致性，数据对比误差保持在了 以内。