池沸腾传热过程中微液膜关键作用的研究

The formation and evaporation of microylayer beneath a growing bubble is very important for boing heat transfer. However, the knowledge on the formation and evaporation of microlayer is quite insufficient, the mechanism has not been clarified up to now. In this project, systematic research on the microlayer with the thickness in micrometer order is to be carried out by the visualization experiments (using laser interferometry method). The characteristics of microlayer formation is to be analyzed by synchronously observation on the dynamic progress of microlayer and bubble growth. The temperature distribution on the heat transfer surface and its variation are to be measured by a high speed infrared camera, together with the variation of microlayer structure, the characteristics of microlayer evaporation is to be analyzed. The relation of dryout of microlayer and critical heat flux (CHF) is also to be studied by visualization experiments under relative high heat flux. For the metal heat transfer surface that can’t be adopted in visualization experiments, multi-scale numerical simulation is to be performed based on the experimentally measured microlayer structure. The key effect of microlayer on boiling heat transfer, the characteristics of microlayer formation and evaporation, and the mechanism of boiling heat transfer can be clarified in this project.

在沸腾过程中气泡底部微液膜的形成及蒸发对传热起着极为重要的作用。然而目前对微液膜形成、蒸发等诸特性的了解十分匮乏，沸腾传热的机理至今未被阐明。本课题采用可视化实验方法（激光干涉法）对厚度在微米量级的微液膜进行测量并开展全面系统化研究。通过同步观测微液膜及沸腾气泡的动态成长过程，分析并解明微液膜形成的普遍特性。利用高速红外热成像技术对传热面温度分布及动态变化进行测量，并结合微液膜结构的动态变化分析其蒸发特性。在高热流密度条件下，通过可视化实验观察微液膜干涸与临界热流密度出现的相互关系。针对无法开展可视化实验的金属传热面，基于微液膜结构的可视化测定结果开展跨尺度的数值模拟。通过上述研究明确微液膜在沸腾传热中的关键作用，同时充分掌握微液膜的形成及蒸发特性，阐明微液膜蒸发的沸腾传热机理。

沸腾现象虽然工业应用背景广泛，但是在其机理方面存在严重的认识不足。如应用最为广泛的核态沸腾领域的传热机理，目前已提出如液层瞬态导热、三相接触线蒸发和微液膜蒸发等传热机理。上述传热机理在沸腾传热中的正确性、重要性需要通过实验进行验证，在此基础上阐明核态沸腾现象的传热本质机理。.近年来，由于沸腾气泡底部微液膜的存在已被多种实验方法所确认，微液膜蒸发对于沸腾传热的作用越来越被重视。另一方面，微液膜的形成及蒸发特性仍未被充分掌握。因此，本项目针对核态沸腾的微液膜蒸发传热机理开展基础研究。主要研究内容如下：1，建立激光干涉法可视化实验系统，在沸腾过程中针对微液膜的结构进行高速可视化观测；2，在全核态沸腾领域内，及从沸腾开始点到临界热流密度等广泛热流密度范围内开展实验研究，确认微液膜存在与否，重点分析临界热流密度条件下的实验结果；3，基于微液膜结构变化的可视化实验结果，结合数值模拟分析微液膜蒸发特性；4，针对无法开展实验的非透明（金属）传热面，通过数值模拟分析微液膜的蒸发特性。.主要研究结果总结如下：通过可视化实验揭示在核态沸腾领域内，不同热流密度条件下（包括临界热流密度），沸腾气泡底部均存在微液膜；确认微液膜内侧的楔形结构，在较低热流密度条件下发现微液膜外缘具有波峰状特殊结构，并定量掌握微液膜厚度分布；通过实验和数值模拟，阐明微液膜蒸发在总蒸发量中占了很大比例，该比例约在30%-70%范围内，且随着气泡成核时传热面过热度的增加而单调增加；揭示传热面材料热物性对微液膜蒸发贡献度有显著影响，微液膜蒸发量占总蒸发量的比例随传热面材料导热系数的增加呈单调增加趋势。.通过上述研究，充分掌握微液膜的形成及蒸发特性，基本确认了微液膜在核态沸腾传热中的重要作用，阐明了微液膜蒸发传热机理的正确性。