（动力工程及工程热物理专业论文）矩形流道内过冷流动沸腾汽泡凝结特性的数值研究.pdf

numerical investigation on bubble condensation characteristics of subcooled flow boiling in rectangular channel a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zhi-wei tan supervised by prof. liang-ming pan major： power engineering and engineering thermophysics school of power engineering of chongqing university,chongqing,china april, 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 过冷流动沸腾中，两相流动作为一个设计与安全分析的核心问题而广泛存在 于工业过程和能源动力工程等领域。在涉及到相变的场合，汽泡上升过程中的凝 结及变形行为是描述两相流动的一个非常关键且复杂的问题，是汽泡动力学中的 重要内容，也是计算两相流传热和流动的焦点问题。本文建立了过冷流动沸腾汽 泡凝结质量与能量传递模型，通过改变系统压力、主流过冷度和质量流速以及汽 泡初始尺寸等参数模拟了两种不同尺寸流道内的汽泡凝结过程，以探讨工况参数 对汽泡凝结界面换热、汽泡凝结时间以及汽泡几何形态的影响，并分析凝结过程 中汽泡内部及周围流场的变化，为实际的工程应用提供相关参考依据。 研究发现，基于课题组可视化实验得到的汽液界面凝结换热系数建立的窄流 道汽泡凝结质量及能量传递模型其计算结果与相应条件下的实验结果吻合较好， 误差在 20%之内。汽泡初始尺寸、过冷度和系统压力等工况参数对汽泡凝结行为 有着重要的影响：汽泡凝结时间与汽泡初始尺寸大小和主流过冷度呈正相关，凝 结时汽泡周围会出现旋涡，且过冷度越高，旋涡将越大。与系统压力成反相关， 但受主流质量流速影响很小。并通过界面源项分析，进一步证实汽泡凝结过程中 泡内饱和蒸汽与过冷流体之间的换热仅发生在汽液界面区域。 研究还发现， 基于kim提出的汽液界面凝结换热系数而建立的常规流道内的过 冷流动沸腾汽泡凝结质量及能量传递模型，其得到不同工况下汽泡凝结变形过程 的模拟结果与已发表的研究结果吻合较好。汽泡凝结时几何形状受汽泡初始直径、 主流过冷度和系统压力等影响显著。过冷度越高，汽泡变形更剧烈，初始直径越 大，汽泡变形更剧烈；当初始直径和过冷度都达到一定值时，汽泡在凝结后期将 发生破裂；系统压力越高，汽泡几何形态变化越小。但几何形态受主流质量流速 影响很小，只有在凝结后期，高质量流速下其几何尺寸略小。通过分析汽泡内部 及其周围流场，发现高过冷度下汽泡内部及周围的速度场要紊乱得多，导致汽泡 冷凝过程的变形更显著。尺寸较大的汽泡凝结过程中，其左右两侧会出现漩涡， 且在其底部速度场较大，过冷度越高，速度越大。 本文最后对倾斜流道内汽泡凝结行为进行了模拟，研究发现，汽泡凝结受到 流道倾斜角度影响，且倾斜角度越大影响越显著。主要表现在：凝结过程中汽泡 几何形状和汽泡内部及周围流场的不对称性随倾斜角的增加而增大；汽泡凝结速 度随倾斜角的增大而略有增加。 关键词关键词: 过冷流动沸腾，汽泡凝结，变形特性，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract two-phase flow in the subcooled boiling flow has been considered as a core to the optimum design and safety analysis and widely exist in industrial process, energy and power engineering field. while the heat transfer between phases being considered, the bubble condensation and deformation behaviors play a very critical and complicated role indescribing this phenomenon. the bubble deformation behavior is not only an important part of the bubble dynamics, but also a focus in the two-phase heat transfer and flow. in the present study, the mass and energy transfer model of bubble condensation has been developed to simulate a singer vapor bubble condensation behavior of subcooled boiling flow in vertical rectangular channel with two different sizes. by changing bubble initial size, system pressure, degree of the subcooling liquid, mass flow rate and other interesting parameters, the purpose is to realize the mechanism about the interfacial heat transfer, bubble lifetime and deformation. further, the flow fields in/around bubble is analyzed. the results will be valuable in engineering practice. according to this study, it was found that the bubble size history and bubble lifetime calculated by the mass and energy transfer model of bubble condensation which was obtained by the interfacial heat transfer coefficient agree well within 20% of our previous experimental dates in the narrow channel. the factors, like different bubble initial diameter, subcooling degree and system pressure have a great impact on bubble condensation behavior: the bubble lifetime is nearly proportional to bubble initial size and subcooling degree. the region around bubble will appear vortexes and the vortexes appear more intensively in the higher subcooling degree boiling flow. the bubble lifetime will be prolonged at higher system pressures, but the effect from mass flow rate is slight. then by analyzing the mass and energy source terms, it was found that the heat transfer between saturated vapor and subcooling liquid exists only in the vapor-liquid interfacial region. it was also found that the results obtained by the mass and energy transfer model of bubble condensation which has been calculated by the kims interfacial heat transfer coefficient agree generally with published results about bubble deformation in different conditions during condensation. the initial bubble size, subcooling degree of liquid and system pressure influence the bubble deformation behaviors greatly. the bubble deformation will appear more sharply with increasing subcooled degree and initial 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii diameter. the bubble will break when the subcooled degree and initial diameter reached a certain value at later phase. whereas the bubble deformation will weaken with increasing system pressure and the effect from mass flow rate is negligible. according to the analysis on the flow field in/around the bubble, it was found that the flow field in the bubble is more disorder at higher subcooling degree so that the shapes appear more sharply. there are two vortexes on the larger bubbles both sides and the velocities magnitude at the bottom of the bubble which rises at the higher degree is relatively bigger. finally, singer vapor bubble condensation behaviors of subcooled boiling flow in the rectangular inclined channel have been simulated. it was found that the bubble condensation will change under different inclination angles and larger inclination angle will bring more significant effect. it was mainly shown that more asymmetric shape and flow flied in/around the buble is obtained with the larger inclination angle; bubble condensation rate increases with the inclination angle increasing slightly. keywords: subcooled boiling；bubble condensation；deformation characteristics；numerical simulation 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 符号说明符号说明 . vi 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题的研究背景及意义课题的研究背景及意义 . 1 1.2 国内外现状国内外现状 . 1 1.2.1 汽泡凝结的实验研究 . 2 1.2.2 汽泡凝结的数值研究 . 7 1.3 研究问题的提出研究问题的提出 . 9 1.4 研究目的及内容研究目的及内容 . 9 1.4.1 研究目的 . 9 1.4.2 研究内容 . 9 2 汽泡凝结研究的数学物理方法汽泡凝结研究的数学物理方法 . 11 2.1 关键问题分析及解决技术措施关键问题分析及解决技术措施 . 11 2.2 相变条件下的控制方程及相变条件下的控制方程及 vof 模型模型 . 11 2.2.1 连续方程 . 11 2.2.2 动量方程 . 12 2.2.3 能量方程 . 12 2.2.4 连续变形 ctt 模型 . 12 2.2.5 表面张力 csf 模型 . 12 2.3 udf 程序程序 . 13 2.4 汽泡凝结质量及能量传递模型汽泡凝结质量及能量传递模型 . 13 2.4.1 基本假设 . 13 2.4.2 汽泡凝结界面瞬时换热系数 . 14 2.4.3 汽泡凝结界面传递的瞬时质量与能量 . 15 2.5 几何模型与网格划分几何模型与网格划分 . 15 2.5.1 几何模型 . 15 2.5.2 网格划分 . 16 2.5.3 网格敏感性测试 . 16 2.6 边界条件和初始条件边界条件和初始条件 . 17 2.7 求解方法求解方法 . 17 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 2.8 本章小结本章小结 . 18 3 工况参数对汽泡凝结的影响及界面换热工况参数对汽泡凝结的影响及界面换热 . 19 3.1 与前期实验的比较与前期实验的比较 . 19 3.1.1 实验系统简单介绍 . 19 3.1.2 与实验的比较 . 20 3.2 工况参数对汽泡凝结的影响工况参数对汽泡凝结的影响 . 22 3.2.1 初始尺寸对汽泡凝结的影响 . 22 3.2.2 主流过冷度对汽泡凝结的影响 . 24 3.2.3 系统压力对汽泡凝结的影响 . 26 3.2.4 主流质量流速对汽泡凝结的影响 . 27 3.2.5 工况参数影响汽泡凝结的机制 . 28 3.3 汽泡凝结过程的界面换热汽泡凝结过程的界面换热 . 28 3.4 本章小结本章小结 . 30 4 汽泡凝结过程的变形特性汽泡凝结过程的变形特性 . 31 4.1 与前人研究比较与前人研究比较 . 32 4.2 汽泡凝结过程中的变形汽泡凝结过程中的变形 . 33 4.2.1 汽泡初始尺寸和过冷度对凝结时汽泡几何形状的影响 . 33 4.2.2 系统压力对凝结时汽泡几何形状的影响 . 36 4.2.3 主流质量流速对凝结时汽泡几何形状的影响. 37 4.3 凝结变形过程中的汽泡内部及周围流场特性凝结变形过程中的汽泡内部及周围流场特性 . 38 4.4 不同倾斜角度下汽泡凝结过程中的变形特性不同倾斜角度下汽泡凝结过程中的变形特性 . 41 4.4.1 坐标系统与模型 . 42 4.4.2 不同倾斜角度对凝结时汽泡几何形状的影响. 42 4.4.3 不同倾斜角度对凝结时汽泡内部及周围流场特性的影响 . 46 4.5 本章小结本章小结 . 47 5 结论及进一步工作建议结论及进一步工作建议 . 49 5.1 主要结论主要结论 . 49 5.2 进一步工作的建议进一步工作的建议 . 50 致致 谢谢 . 51 参考文献参考文献 . 52 附附 录录 . 57 a. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 . 57 b. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目 . 57 重庆大学硕士学位论文 符号说明 vi 符号说明 a 汽泡界面表面积，m2 a 热扩散率，m2/s bo 沸腾数 cp 比热容，j/(kg k) db 汽泡瞬时直径，m db0 凝结初始时刻汽泡直径，m eo 埃奥特沃斯数 eq 能量源项，w/m3 f 表面张力源项，n/m3 fob0 以初始汽泡直径为定性尺寸的傅里叶数 g 重力加速度，m/s2 g 主流质量流速，kg/(m2s) h 汽液界面瞬时换热系数，w/(m2 k) hfg 汽化潜热，j/kg ja 雅克比数 k 导热系数，w/(m k) mo 莫顿数 m 单位时间汽相向液相瞬时传递的总质量，kg/s mq 质量源项，kg/(m3 s) mc 汽液界面区域汽相单位时间单位体积交换的质量， kg/(m3 s) m 汽泡凝结的质量源项，kg/(m3 s) nub 汽泡界面换热的努谢尔数 pr 普朗克数 q 单位时间汽液两相之间瞬时交换的总热量，w q 汽泡凝结的能量源项，w/m3 reb 以汽泡瞬时直径为定性尺寸的瞬时雷诺数 t 温度 (c | k) t 汽泡凝结时间，s urel 汽泡相对速度，m/s u 瞬时速度，m/s 重庆大学硕士学位论文 符号说明 vii u 汽相单元的速度，m/s vol 汽相单元的体积，m3 t 凝结传热温差，(c | k) 希 腊 字母 体积分数/倾斜角度 无量纲汽泡直径 密度，kg/m3 动力粘度，n s/m2 表面张力，n/m 物性 下标 sat 饱和状态 sub 过冷状态 l 液相 v 汽相 i 汽液界面 x，y， z，n 方向 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题的研究背景及意义 流动沸腾是指在定向流动的液体中发生的沸腾现象。这种定向运动既可由外 力驱动所致，也可以由自然对流形成。流动沸腾包含着两相流体的流动与沸腾换 热的相互影响，因此远比大空间沸腾复杂，但在工业应用中更为重要。其中过冷 沸腾区在流动沸腾中具有相当重要的地位。虽然在一个流道中，过冷沸腾所占的 比例相对比较小（流道长度） ，但是对于某些热力设备如压水反应堆的活性区，过 冷区占有很大的比例，在整个活性区几乎属于过冷沸腾。然而与饱和沸腾相比， 对于过冷沸腾的研究成果较少。 在过冷沸腾中汽泡运动行为是相当复杂的，汽泡从加热壁面核化点形成后， 经过生长、滑移等过程，最后脱离加热壁面进入主流区域而迅速凝结。这些汽泡 运动行为是微观传热中重要的组成部分，伴随极其复杂的相变过程，是国内外研 究者们一直关注的经典问题1-6。其中汽泡凝结动力学是描述汽泡运动现象的一个 重要部分，是该研究领域的重点和难点之一，也是在工程与技术领域有着广泛和 重要应用的相变现象。汽泡脱离加热壁面进入主流区域发生凝结过程中，汽泡的 大小形状、速度和空泡份额等相关参数以及流场特性都将发生变化。汽泡凝结运 动极大地影响着汽泡界面的传热与传质，影响汽泡的行为，从而增加预测汽泡行 为的难度。也正因为其复杂性，现有文献报道尤其数值模拟方面的报道较少。而 本项目前期7已经展开对窄流道汽泡凝结过程可视化实验研究， 但由于实验工况不 易控制，可视化过程很多困难无法克服，比如在高压力系统下，由于观察窗口太 小无法观察到汽泡的整个凝结过程，因此实验工况范围都是在较低系统压力和较 低质量流速进行的。 为了更深入研究过冷流动沸腾汽泡凝结运动行为，很有必要开展更全面的数 值模拟。并在不同汽泡初始尺寸、不同压力、不同主流过冷度和质量流速等工况 下，探讨各种因素对汽泡凝结运动行为的影响及其相应的传热特性，以及凝结过 程中汽泡几何形态变化与汽泡内部及周围流场特性等相互影响机制。 1.2 国内外现状 无论是流动沸腾还是池沸腾，都会存在主流温度还具有高过冷度而壁面温度 高于工质饱和温度的区域。由于这些区域的某些地方（核化点）已具备汽泡形成 的条件，会产生数量有限的汽泡。这些地点也被称为沸腾起始点。这些点的汽泡 经过生长、滑移等过程，当在壁面法线方向上的合力大于零的时候，汽泡将脱离 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 加热壁面进入过冷流体中而快速凝结。凝结过程中，较大汽泡可能破裂成较小的 汽泡，即二次汽泡。汽泡之间也可能重叠和聚合。目前，国内外众多研究者已经 通过实验和数值模拟对汽泡凝结运动行为进行了较为广泛和深入的研究，并取得 了可喜的研究成果。 1.2.1 汽泡凝结的实验研究 两相流动系统中，蒸汽汽泡的存在将导致流体流动的不稳定性8,9，因此观察 汽泡在流体中的运动行为已经作为学者们研究两相流动与传热的出发点。从学界 多年来的研究看， 可视化技术对于汽泡演化的物理过程 （生长10、 脱离11和滑移12） 研究具有重要的作用。在实验研究领域，汽泡凝结研究也主要利用可视化技术对 该物理过程进行观察，从而分析相变过程中热量传递、汽泡几何形态变化、空泡 份额以及流型变化等传热和动力学特性。 汽泡初始尺寸、主流过冷度和系统压力等主要参数都将影响汽泡的凝结行为， 从而影响流动现象的变化。将饱和蒸汽通入过冷流体流动的流道中，汽泡不断凝 结和聚合将对流道的带来很大的冲击。汽泡加速凝结与聚合，流动模式也可能发 生变化。 m d ric13等使用可视化技术展开流道凝结过程实验， 质量流速设定在 3.4 到 13.8 kg/(m2 s)之间变化。质量流速变化过程中，流道会出现两种不同的流动（有 泡和无泡） ，且质量流速在某一个关键值时，流道出现两种不同流动模式的转变。 通过可视化技术，测出了流道的空泡份额，也得出有泡区域的存在将影响流道热 传递和压降。 lucas 和 prasser14在实验压力为 1 和 2 mpa，使蒸汽通入长度为 195.6 mm 垂 直管，垂直管中过冷水的过冷度最大为 6 k。实验结果表明，蒸汽集中注入过冷水 后的凝结过程中，汽泡的大小形状，汽泡之间的作用以及传热传质都相当复杂。 当喷嘴的尺寸增加，蒸汽汽泡凝结速度会变慢。凝结过程中，汽泡的破裂将对凝 结速度产生很大影响，因为破裂大大影响了界面面积，从而加速凝结。 流道几何形状不同，汽泡凝结换热结果也是不一致。隋海明15对水蒸气在竖 直换热管内凝结换热进行了实验研究。 在四个不同管内入口蒸汽压力 （0.062 mpa、 0.103 mpa、 0.143 mpa 和 0.198 mpa） 较高蒸汽参数条件下用管内插双螺旋弹簧的 方法分别对光管、波槽罐及螺纹管进行管内凝结换热实验。发现，波槽罐和螺纹 管凝结换热系数均比光管高。并对实验结果进行了分析比较，并回归出了三种换 热管的管内对流换热系数和管内凝结换热系数的经验公式，通过误差分析，给出 了实验的误差范围。 kamei和hirata16-17将饱和蒸汽通入过冷静止流体， 可视化观察汽泡凝结过程。 该实验中压力从 1 个大气压到 10 个大气压变化， 过冷度在 10 到 70 之间变化。 该实验得出了多组单一汽泡凝结变化过程，给后来研究者提供可靠数据。brucker 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 和sparrow18将饱和蒸汽汽泡引入静止过冷水中， 实验压力在10.3到62.1 bar之间， 过冷度在 15 到 100 之间。基于逐帧分析汽泡周围边界的坐标整理高速运动图 像的数据并以数字形式记录，随后对汽泡溃灭现象和传热系数给出定量结果。这 些实验图片表明，在过冷水中蒸汽汽泡发生连续变形：从球形到半球形，中间经 过椭圆形，球形最后溃灭；溃灭时间和汽泡溃灭高度随系统压力的增加而增加， 随温差减少而减少。而汽泡上升速度基本上是恒定的，大概范围在 15-22 m/s。平 均传热系数大约在 10000 w/(m2 k)。 prodanovic19等人可视化研究系统压力为 1.05 到 3 个大气压，过冷度为 10 到 30 k，主流流体速度为 0.08 到 0.8 m/s 变化范围内流动沸腾中汽泡行为，得出流道 中三个不同区域汽泡的不同行为。第一、低热流区：在这个区域中，几乎都是球 形汽泡在加热壁面上滑移，滑移时间较长，汽泡的大小和形状没有明显的变化， 而且当汽泡脱离壁面后可能会很快再次吸附在壁面上；第二、孤立汽泡区：随着 汽泡的生长，汽泡从开始的扁平慢慢地变成长形，直径达到最大。汽泡在壁面上 滑移距离大概为两倍的汽泡直径，脱离壁面后，将很快凝结或溃灭。第三、汽泡 聚合区，汽泡发生聚合。 许多研究者对汽泡在不混合液体中的凝结行为也进行了较广泛地研究，比如 可视化各类烷烃，制冷剂汽泡在过冷流体的运动行为等，这也成为了另一关注焦 点。 sideman 和 hirsch20可视化研究异戊烷汽泡在水中自由上升的过程。 通过分析 一个异戊烷汽泡的一组图片，确定汽泡瞬时表面积，体积和空泡份额，从而得出 汽泡和水之间的换热系数。 kalman21可视化研究 freon-113 汽泡在不混合过冷流体中的凝结现象， 并建立 不混合过冷流体中汽泡凝结的理论包络模型。理论包络模型将汽泡凝结过程热量 传递定义成两个区域，第一个区域：汽泡从喷嘴分离后的加速阶段，在汽泡顶部 热量传递通过粘性边界层，在汽泡尾部热量通过尾流传递。第二个区域：汽泡减 速进入尾流阶段，这时热量将通过汽泡周围尾流进行传递。 kalman 和 mori22实验研究在混合与不混合过冷液体中的蒸汽汽泡凝结的传 热和动力学特性。观察单个 freon-113，戊烷，己烷汽泡在过冷水中的凝结，以及 单个 freon-113 汽泡在过冷 freon-113 流体中凝结，并和已有实验进行对比。通过 对比发现，和不凝结气体和致污物的影响一样，凝结汽泡的形状和刚性对汽泡的 上升速度和传热有很大影响。并得出实验参数范围内的曳力系数和努塞尔数关系 式，和实际吻合很好。 汽泡凝结换热主要发生在汽液两相的界面，影响汽泡凝结速率和界面传热主 要有以下三个方面：、汽泡内部蒸汽和周围液体的温差，这是凝结换热的驱动 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 力；、由于在汽泡表面的过冷液体存在流动和换热导致外部热阻的产生；、 凝结换热汽泡内部热阻。研究者通过分析界面质量和热量传递，建立了相关传输 模型。很早之前，herman23就给出有关热量与能量传递的理论模型综述。terasa 等24提出汽液两相流动中关于汽泡凝结行为的非球形汽泡模型，并对喷入的汽泡 的形状和体积进行了计算。suzuki 等 25 提出一种新的多组分蒸发/凝结 （vaporization/condensation，v/c）模型，见图 1.1。经过一系列实验研究，证明 该模型引进在 simmer-iii（simmer 流体动力学是多相流典型的一部分，其相变 过程和热传递很复杂。它的开发很好地评估了液态金属快堆（lmfrs）核心破坏 故事）中是可行的。比较 simmer-iii 的预测和实验数据，证实 v/c 模型可以反 映不凝结成分在凝结过程的影响。 图 1.1 多组分蒸发/凝结模型25 fig. 1.1 multi-component vaporization/condensation model park 等26建立凝结源项界面传输方程模型 （interfacial area transport equation， iate） 。 在这个模型中， 假设汽泡凝结是一个对称现象， 将凝结区域分成两个部分： 热控制阶段和惯性控制阶段。在热控制阶段，汽泡凝结努谢尔数是一定的。该阶 段凝结源项如式 1.1。而在惯性控制阶段，产生的机械力可能需要通过汽液界面来 维持平衡。该阶段凝结源项如式 1.2。研究表明：凝结源项界面传输方程模型 （interfacial area transport equation，iate）可以评估过冷水流过非加热环时汽泡 凝结的相关数据。模型能准确预测界面面积浓度轴向分布。 dt dd dnp dt da np sm smbc i