不同重力单气泡池沸腾中的流动与传热研究

微重力沸腾传热研究具有重要的学术意义和应用价值，是当前微重力科学与传热学前沿方向之一。本项目基于对该方向研究现状与最新发展趋势的把握，采用单气泡池沸腾模型，模拟实际的核态池沸腾现象中气泡周期及相应的绕气泡的局部流动与传热等单元过程。主要研究对象为不同重力条件下平直、光滑加热表面单个人工空穴处单组份液体工质的单气泡池沸腾现象，通过地面常重力实验与落塔短时微重力实验，观测气泡在不同重力条件下的形成－成长－脱落过程，并结合理论分析，构建符合蒸发/凝结相变过程物理本质、正确描述单气泡沸腾现象的物理数学模型，编制基于Level Set方法的计算软件，通过数值模拟及其与实验观测结果的比较，研究围绕生长气泡的细观流动结构，探讨池沸腾现象中Marangoni效应的特征、成因及其对传热特性的影响，以深化微重力沸腾过程中气泡动力学特征及相关流动与传热规律的认识。

本项目综合利用实验观测、理论分析和数值模拟等方法，研究不同重力条件下池沸腾现象中的气泡热动力学行为特征、围绕生长气泡的细观流动结构及相关现象对传热性能的影响等。气泡、液滴的热毛细迁移数值模拟结果与空间实验结果及文献中报导的其他理论与数值结果吻合较好；分析了液滴热毛细迁移终态流场、温度场拓扑结构的演化，以及温度和速度边界层的演化规律，揭示了热和动量的对流传递效应间的竞争与合作关系。数值模拟了常重力条件下液滴铺展和重力突降引起的反弹运动，揭示了Su数对液滴反弹运动的影响机制。等温固壁条件下单气泡沸腾现象的数值模拟结果验证了Zuber假设，即固定核化点数密度条件下孤立气泡区热流密度正比于壁面过热度的3/2次方；气泡直径与生长时间的n次方成正比，指数n均落在1/3～1/2之间，与实验结果相符；不同重力条件下，气泡的脱落直径都随壁面过热度的增大而增大，而生长周期则随壁面过热度的增大而变短；气泡生长周期和脱落直径均随接触角的减小加而减小，但随重力减弱而增大；微楔区的平均热流密度在整个壁面平均热流密度中占据了比较大的比例，不可忽略。固壁热容及其内部瞬态热传导影响气泡底部局部温度分布，进而决定了气泡周期中等待时间的长短。成功研制了组合式多功能加热器，采用局部过热方式实现气泡激发的时-空准确定位，并对气泡底部加热固壁局部温度进行测量，重构加热器内部三维瞬态温度场和热流场的演化过程，揭示固壁热容及其内部瞬态热传导对沸腾过程的影响机制。利用北京落塔观测了微重力条件下池沸腾现象中单气泡的生长，发现在气泡生长初期，气泡尺寸正比于生长时间的1/2，符合经典的热扩散机制控制的沸腾气泡生长模式；但气泡生长后期，气泡尺寸增长变慢，近似维持在一个定值，甚至有略微的下降。此外，基于对微重力池沸腾空间试验结果的分析，首次明确提出了向气泡底部加热面有效地供应新鲜液体可以维持高效的池沸腾传热性能，并利用北京落塔开展了方柱微结构表面强化沸腾传热实验，验证了该设想，为微重力沸腾传热强化及其空间应用技术发展提供了一个良好思路。