不同重力条件下相分离冷凝管流型调控与冷凝强化机理研究

The condensation heat transfer is widely used in the normal gravity, small gravity and microgravity. In the process of gravity-dominated condensation heat transfer, the condensation heat transfer performance deteriorates sharply with the reduction of gravity. An order of magnitude increase in tube length is required to achieve complete condensation in a tube under microgravity as compared with a tube under normal gravity. Therefore, there is an urgent need to develop a new principle and method to modulate flow pattern and enhance condensation heat transfer under different gravity conditions. Then, a phase separation condenser tube was proposed by our research group, which is suitable for different gravities. Preliminary studies showed that the flow pattern modulation in the phase separation condenser tube is more helpful to enhance the condensation heat transfer with the decrease of gravity for the slug flow patterns. Especially under microgravity, the condensation heat transfer is enhanced largely. Based on the above analyses, the present project is intended to make a systematic research on the phase separation condenser tube. The major research contents are as follows. (1) Reveal the flow pattern modulation mechanism and the condensation enhancement mechanism in the phase separation condenser tube under different gravities. (2) Research the influence of gravity on the flow pattern modulation and the condensation enhancement. (3) Develop a new phase separation condenser tube with higher condensation heat transfer performance, resulting in the length reduction of the condenser tube by more than 40%.

冷凝换热广泛应用于地面常规重力、小重力和微重力环境中。在重力主导的冷凝换热过程中，随着重力的降低，冷凝换热性能会急剧恶化，特别在微重力条件下，所需冷凝长度要比地面常规重力情况大一个数量级，因此迫切需要发展面向不同重力的流型调控和冷凝强化的新原理与新方法。据此，我们基于非能动相分离概念研究开发了适用于不同重力环境的相分离冷凝管，促进了流型与传热的协同，极大强化了冷凝换热。初步研究表明：对于弹状流型，重力越小，相分离冷凝管内的流型调控过程越有利于强化冷凝换热，特别在微重力条件下，冷凝换热性能将大幅提升。基于以上分析，本项目将（1）深入揭示不同重力条件下相分离冷凝管内的流型调控机理和冷凝强化机理；（2）深入研究重力对相分离冷凝管内流型调控和冷凝强化的影响规律；（3）构建适用于不同重力条件且具有更高冷凝换热性能的新型相分离冷凝管，预计冷凝管长度可减少40%以上。

本项目围绕所提出的相分离冷凝管，开展了不同重力下流型调控和冷凝强化机理研究，共发表论文15篇，其中SCI检索11篇；发表会议论文5篇；作特邀或主旨报告3次；授权软件著作权6项；授权发明专利3项等。通过本项目研究取得了以下成果：.(1) 在地面常规重力条件下，冷凝传热的强化机理主要为：(a)调控后薄液膜主导的冷凝换热量增加，提高了管道的冷凝传热性能；(b)调控后环形气弹的上升速度和环隙区域内液体速度及速度梯度均大幅提升，从而大大减薄了流动边界层，这对提高管道换热性能起到积极的作用；(c) 流型调控区域内形成了三个不同尺度的流动循环，这将大大促进近壁区和主流区内液体的交混，从而提高管道整体换热性能。.(2) 在小重力条件下，冷凝传热的强化机理主要为：(a)与常规重力相比，调控后薄液膜主导的冷凝换热量进一步提高；(b)调控后环形气弹的上升速度和环隙区域内液体速度及速度梯度均有所提高，起到了减薄流动边界层的作用，但远远低于地面常规重力情况；(c) 流型调控区域内仅在气弹周边产生了中尺度循环，该循环在一定程度上促进了近壁区和主流区内液体的交混。.(3) 在微重力条件下，与常规重力和小重力环境相比，调控后薄液膜主导的冷凝换热量大幅提高。在微重力条件下调控后环隙区域完全被气体占据，液体完全在核心区域流动，达到了最有利于冷凝换热的气液分布模式，冷凝换热完全由薄液膜主导，因此极大地提高了管道的冷凝传热性能。.(4) 通过理论分析发现，无量纲参数G*、We数和修正系数C是决定气泡泄漏临界条件的关键参数，研究发现气泡泄漏工况与非泄漏工况之间存在明显的分界线，最终得到了气泡泄漏的临界关系式，建立了相分离冷凝管结构参数的优化判别标准。