沸腾两相流综述.docx

沸腾换热文献综述引言近二十年来，多相流体力学和多相传热学发展迅速。在热能、动力、化工、核能、石油、冶金、制药、电子、航空航天、生物工程等领域均有重要应用。在多相流研究中，流动沸腾尤为重要，很多行业的许多生产设备中都涉及到流动沸腾换热工况，大至电站锅炉的沸腾管、化工精馏塔、蒸汽机车，小至MEMS的冷却无不与流动沸腾有关。沸腾换热具有传热温差小，换热强度高等特点，在许多工业与技术领域内得到了广泛应用。管内溶液的蒸发就是沸腾换热过程，此过程伴随着汽液相的转换，属于汽液两相流动体系。由于蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出结晶、易于结垢、粘度较大等，使得蒸发器的安全稳定运行很难得到保障。将惰性固体颗粒加入到汽液两相流动体系中，形成汽液固三相流，可以较好地解决蒸发换热装置在运行过程中出现的壁面结垢和传热强化问题。但由于沸腾多相流动的特点使得其流动状况非常复杂，而加入固体颗粒后形成汽液固三相流动就更为复杂，因此，对沸腾两相流动及汽液固三相流动的动力学特征研究一直是人们感兴趣的课题。流体动力学特性的研究是多相流体系的基础，它为与之相关的物理过程提供了重要的第一手资料，可为流动体系的进一步研究如传热、传质、化学反应等，以及设备的设计和放大提供可靠的依据。因此，开展气（汽）液固多相流体系的流体动力学研究，对于深入理解多相流体系的内在运动规律和流型转化机制具有十分重要的意义。在多相流动过程中，由于汽、液、固相界面的变形和运动等原因，使得相界面运动具有动态特性，表现出强烈的非线性性质，是一个多变量相关的复杂非线性系统，其主要特征为复杂性。在此复杂现象中，也必然存在着某种规律性，这种规律性表现为一系列混沌运动 刘燕. 数值管内气液固多相流动沸腾过程的流体动力学研究 博士学位论文. 河北：河北工业大学. 2010年6月。若仅采用传统的基于线性原则的分析方法，如谱分析技术、随机分析技术等，不能深入地从本质上揭示动态的、非线性的多相流动及传递现象和流动机制。因此，对这些多相流动复杂过程的研究，运用非线性理论是十分必要的。沸腾两相流的研究历程对于沸腾两相流的研究早在19世纪末20世纪初，就随着蒸汽机的发明和锅炉的出现而出现。在1949年正式出现了两相流这一名词。随着动力工业中高温高压参数的引入，以及宇航工业、商用核电站的发展，大量有关汽液两相流与传热的研究论文开始出现。对两相流的研究目的是判定在何种外界条件下热设备中会出现两相流动，以及两相流不同流型的传热特性、流动特性、对系统稳定工作状态的影响等等。研究内容包括宏观模型研究、流型研究、流动特性研究、传热特性研究，以及它们对两相流系统稳定性的影响。两相流动过程数学模型研究主要基于以下几点 M.MISHIMA.Two-fluid model and hydrodynamic constitutive relations. Nuclear Engineering And Design,1984,82(2):107-126：从质量守恒，能量守恒，动量守恒出发，将这些平衡应用于各个相界面。以现有的实验数据（流型、控制体内部流动变量的分布等）将流动过程进行某些理想化处理。考虑到现有的实验数据并根据某些普遍适用的规律，如热力学第二定律，对各相以及相界面的有关物性参数，进行某些理想化处理。对发生在边界上的传送，进行某些理想化处理。这种理想化导出传输定律，以及某些理论的和实际的限制（方程组闭合的必要性，方程易于处理性等等）。由以上叙述可以看出，从热力学平衡（包括局部平衡）为前提的两相流模化包括质量、动量和能量平衡、各相相应的物构定律以及边界条件及初始条件，然后把这一系列方程组合成闭合方程组，进行数值模拟，解得不同工况下的流场特征参数分布。具体解这些方程组时，涉及到模型简化的问题。一般是采用宏观的方法，即将两相工质视为连续介质进行研究。工程上常用的有均相流模型、分相流模型等等。然而这些宏观模型大多都采用这样一个基本假设，即相间热力学平衡。这些模型对一般场合虽有简单易懂的优点，但对于沸腾过程中相界面存在强烈热质交换的情况，则显得不合适。流型的定义是各式各样的，一方面是由于流态定义本身的人为特点；另一方面是由于对基本相同的流型给予不同的名称。流型的判断通常是用目测或其它方法进行流型的分类，并通过诸如相折算速度或总质量流率和干度等参数画成流型图。通常这些流型图无普适意义。于是人们继续研究坐标可以通用化的流型图。这类研究成功的可能性不大，因为对于每一个流型过渡来说，存在着不同的相关通用参数。然而通用流型图仍被广泛应用，并且对于垂直流动尤以Hewitt和Roberts的通用流型图影响最广 G.F.Hewitt,D.N.Robertson.Studies of Two-Phase Flow Patterns by Simultaneous X-ray and Flash Photography.Rept AERE-M2159.UKAEA.Harwell,1969。在这个流型图中采用的坐标是各相的折算动量流率是液体和气体的折算流率，即各相流经单位流道截面的体积流率）。国外对沸腾流动工况的研究目前还基本处于对各工况机理的研究阶段，着重于定性地解释各种工况下的动量平衡，根本的缺点是在平衡的多场力学模型指导下，用平均化的方法抹杀掉了各种流动工况两相时空分布的特点。而且，由于很难采用实测的空泡系数作为基本参数，研究结果基本无法实际应用。传统的两相流系统流型的分析，大多是基于稳态和准稳态的。在工程上来讲，就是认为流动工况是相间作用力、流动驱动力和壁面阻力之间的平衡。但在实际的运行中，两相流的动态特性是十分重要的，并且由于反应堆流道中的几何因素以及反应堆运行工况的多变性，在各种反馈机制的作用下，某些微小的扰动可能导致产生各种不稳定现象。两相流不稳定性可分为两个主要类型：静态不稳定性和动态（脉动）不稳定性。静态不稳定性是指在稳态运行工况下的不连续性变化。换句话说，稳态流动在一定条件下变得不稳定了，它转化为另外一个完全不同的运行工况。引起静态流动不稳定性的原因有：界面的不稳定性、流动与压降之间的某些关系以及传热机理的某些变化。流型转换就属于最常见的静态不稳定，它主要是由于界面不稳定引起的 P.Saha,N.Zuber.An analytical Study of the thermally induced two-phase flow instabilities including the effect of thermal non-equilibrium.Int.J.Heat Mass Transfer,1978,21:415-426。平衡模型无法解决此类问题，因为流动沸腾工况是个相界面稳定性问题。根据已有的对于流动工况的理论研究和实验来看，质量流率和空泡率是流体流动工况的决定因素，同时这两者之间又是相互影响的。而造成这一问题复杂性的最根本的原因是在于这两者具有时空分布的随机性。这一问题不可能在线性前提下在控制基元平衡概念的基础上求得分析解，因此必须用非线性的动态方程来描述。在近几十年中学者们逐步将波动理论引入对两相流动这一复杂系统动态现象的研究中。在波动理论中，将空泡波看作为一种连续波。由于空泡梯度?a的存在，将会导致流动速度的不断变化，从而产生体积力f，其直接作用于流体的效果是导致速度的扰动u，即产生动力波。在此认识的基础上，波传播观点，将流动工况视为连续波与动力波相互作用在特定流动条件下的非线性解。这种对于两相流动的认识，也为解决两相流动沸腾问题提供了一个全新的角度。为了使建模研究的目的向着满足工程需要的方向发展，必须考虑两相流的动力学特性，在建模过程中引进系统动力学思路，把网络方法和参数辨识方法应用于沸腾流动中，逐渐达到建立能用于解决工程问题的沸腾流动波动模型，先期的应用前景在于识别流动工况。从学科意义上来说，虽然对两相流动的分析普遍采用三方程描述（即两相加权质量、动量、能量守恒方程），但对于动态稳定性课题，必须考虑相间作用的非线性后果。相应的研究方法，必须逐步过渡到非线性热力学和动力学结合的热动力学方法上。热动力学方法将不可逆热力学理论和动力学方法结合起来，引入网络理论，用网络表述热力学系统及各子系统间的相互作用，并对每一个子系统建立起传输矩阵。子系统之间通过简单的联结与反馈，建立起热力学系统的动态模型 李青.低温动力机械的研制热机研制的系统动力学方法.华中理工大学博士论文,1996。它对于系统的分析、优化和控制有着指导意义。在几十年的研究过程中，各国研究人员一直在不懈的努力试图弄清沸腾两相流的机理、预测其流动状况和传热状况以便为工业应用提供科学依据。从理论模型角度来说，常用的宏观模型是均相流模型、分相流模型、漂移流模型，它们假设前提中有一个共同点，两相间保持热力学平衡，也就是两相温度相同且处于饱和状态。而假设前提的不同之处在于对两相流速的处理上面。流型图是流型随试验过程中参数变化而变化的图。一般的绘制方法是在绝热的管道中（少数在加热管中），保持一定流量的液流，并注入不凝性气体，造成两相流动。通过改变液流速度和气流速度，观察流道中的流型变化情况，并将结果绘制在一张图上。研究者根据流动方式不同，给出了许多的流型图：如垂直上升管流型图，垂直下降管流型图，水平管流型图，倾斜管流型图等等。压降和截面含汽率是汽液两相流非常重要的参数，现在主要还是靠试验总结的经验公式来满足工程计算的需要。压降计算是各种工程设备的基本计算参数。直管内两相流压降由三部分组成：其中等式左边为总压降，右边第一项为摩阻压降，表示流体克服摩擦阻力所需要的压力梯度，第二项为提升压降，表示流体克服重力所需要的压力梯度，第三项为加速压降，为造成流体加速所需要的压力梯度。其中现行对摩阻压力降的计算，通常采用相同流量条件下的纯液或是纯气的单相压力降公式 PF=LDu22的形式，并通过试验对公式进行修正。例如对摩擦阻力系数进行修正，或是直接在公式中添加修正因子。现在已经积累了大量的试验资料和经验公式,但各公式计算结果往往相差较大。从上面的描述来看，现行的两相流分析具有下面几个特点：1. 现有的两相流系统的分析均采用了热力学平衡假设，因此多是基于稳态和准稳态的分析方法。这一假设对于受热区子系统就比较牵强，因为在发生沸腾的受热区子系统中，液体要沸腾必然存在一个沸腾周期，因此实际的两相间是处于热力学非平衡态的，非平衡的热力学过程导致了子系统中的各类参数，例如密度、压力并非平衡的，而是处于振荡中。振荡在流体中的传播就是波动过程，这种波动必然导致主流区中参数的起伏振荡。当这种起伏作用不大时，在宏观上并不明显，但是当动力学正反馈条件满足的时候，这种起伏将被放大，直至在宏观上可见。2. 时、空尺度都存在着自己的局限性：有必要在主流区和受热区采用不同的时间尺度。在主流区中，主要是波动过程，因此是以波的传播时间为其特征时间尺度，而在受热区中，扩散时间为特征时间尺度。现有的两相流的经验公式中往往以水利直径为其特征空间尺度，这一点是无物理根据的。两相流由于气相含量不同和气相在液相中的分布导致物理性质的变化，因此气泡本身的大小才反映了其特征尺度=22。当然仅单个气泡不足以造成流型的变化，研究中应采用介于微观尺度和宏观尺度之间的介观尺度来分析两相流系统，所谓介观尺度就是流体微团的尺度。3. 现有的沸腾流动数学模型从直觉出发，对每一可以分得出来的流动子系统分别写一套守恒方程，对传热过程用能量守恒方程来表示，最后用经验综合式或其它简化的分析模型来耦合这三套守恒方程，使之成为闭合的数学模型。这就是所谓沸腾的多场力学模型。认为各子系统各有自己的保守场，只是用并不够严格的经验方法来维系各子系统间的关系。这种方法抹杀了各种流动工况两相时、空分布的特点。这与实际两相流系统由于动力学和热力学带来的动态性相差甚远。并且由于流道中的几何因素以及系统运行工况的多变性，在各种反馈机制的作用下，这些小的扰动有可能导致各种不稳定现象。这样，建立在热力学平衡基础上的经典热力学与传热学的稳态或准稳态的模型方法已显不足，需要引进动态分析的观点和方法，采用系统动力学分析的思路，建立能提取动态特征的模型方法；4. 正如前面所述，两相流流型的判断是一个非常重要的问题。现行的流型谱方法绝大部分是以绝热管中的气液混合流试验数据为基础的，因此与实际的受热流动情况有不小的差距。为了反映受热特点，还应该在表征流型的图或公式中加入热流密度，汽化潜热和比热这些和换热有关的量。同时这种方法的适用范围应限制于试验范围以内，不具备很好的外推性。而且对于无法进行原型试验的复杂流道（如反应堆水利热工装置），就无法用这种方法。对两相流重要参数如压降各分量、空泡系数等都来源于试验数据拟合得到的经验公式，因此在使用这些经验公式的时候，必须特别注意试验范围和试验边界条件多相流研究的最新进展两相流问题经常会在石油、化学、核工业中遇到, 这就要求我们必须了解, 分析和设计两相流系统。由于两相流系统本身比较复杂, 人们开始是用经验方法; 来解决它。近来, 人们逐渐尝试用模型的方法来解决。模型方法的先决条件就是流型的存在。现在已经有各种各样的理论来预测流型, 流型也可以由管中各相的几何分布来识别。如界面、流动机理、压力梯度、滞留量、压力传导系数等参数的空间几何分布都会因流型不同而有所不同。虽然早在1914 年, 就已经出现对气液混合物的研究, 也出现了多种经典的计算井筒压力梯度的方法如: 1963 年的Duns - Ros 方法 陈家琅. 石油气液两相管流. 北京: 石油工业出版社, 1989、1965 年Hagedorn - B row n 方法 Hagedorn A R, B row n K E. Experimental Study of Pressure Gradients Occurring During Continuous Two - Phase F low in Small- Diameter Vertical Conduits. J Pet Tech, 1965, (4) : 475 484、1967 年的Orkiszew ski方法 Orkiszew ski J. Predict ion Two - phase Pressure Drop s in Vertical Pipe. J Pet Tech, 1967, (6) : 829 838、1972 年的Aziz- Govier 方法 Aziz K. Govier G W , FogarasiM. Pressure Drop in W ells Producing O il and Gas. J C dn Pet Tech, 1972,(7 9) : 38 48.、1973 年的Beggs - B rill 方法 Beggs H D,B rill J P. A Study of Two Phase F low in Inclined Pipes. J Pet Tech, 1973, (5) : 607 617、1986 年的Hasan - Kabir 方法 Hasan A R, Kabir C S. A Study of Multiphase Flow Behavior in Vertical Oil W ells: Part I- Theoretical Treatment. Paper SPE l5l38 P resented at the 1986 California Regional Meeting, Oakland, CA , 1986. 4. 2.等。但是由于其流动机理的复杂性及其不同压力和温度下的流体性质参数计算结果准确性低的限制, 使得一直没有一种准确性高、适应性广、能够满足工程计算需要的方法。近几年, 又出现了新的进展。2001 年, Kaya 等人把前人的力学模型进行了总结与修正, 首先预测流型, 再利用每种流型的水动力模型计算直井和斜井中的两相流的流动性质。 A. S. Kaya. Mechanistic Modeling of Two Phase F low in Deviated Wells. SPE Product ion & Facilities. August 2001: 156 165.他们从理论和实验上研究和确定了直井流动的五种不同流型: 泡流、分散泡流、段塞流、搅动流和环流。后来, 证明此模型也同样适合于斜管。多相管流的计算准确程度受多种因素影响, 除了所选用的计算方法外, 关键是不同压力和温度下的流体性质参数。实际上, 需要进行计算的大多数油田都缺乏这方面的实践资料。目前, 虽然有一些计算流体性质参数的相关式可供选用, 但在使用中应根据各油田的高压物性实验资料对所选用的计算公式进行检验和必要的修正。Kaya 法本身的流型判断界限比较模糊, 有时甚至有跳跃现象存在。而且, 方法中的许多参数取值(如C0, Cs 等) 的取值是根据作者当地的地质条件、油藏条件以及流体性质等提出的, 不一定适合本油田的实际情况。因此, 计算可能存在误差。2002 年,Allan 等提出一种计算井筒和管道多相流参数的新方法。 Allan Rydahl. Application of Transient Multiphase Compositional T racking for Pipeline Flow Analysis. SPE, 77502, 2002.不同于严重依赖当地压力P、温度T 的传统表格法, 即不需要将压力P、温度T内插入标准图版, 也不把油、气、水分别考虑。他们提出的“组分追踪法”准确地考虑了各组分相对于空间和时间的变化, 并预测了在烃类和水变化基础上的流体性质如密度、粘度、热传导、热容以及表面张力等, 从而更准确地预测压降、温度变化和流型转变。他们把这种方法的计算结果与传统计算法进行了结果对比, 发现在0.5 英寸情况下这种方法更准确, 在1 英寸下两种方法差不多。他们认为这是因为试验的压力太小还不能把两者的差距足够放大。在大压差下,“组分追踪法”会显示更大的优越性。2003 年, E I - Sayed A. Osman 用两个三层(BNPS) 的神经网络模型(ANN ) 来预测水平管柱中的液体滞留以及流型。 E I - Sayed A. Osman. Artificial Neural Network Models For identifying F low Regimes and Predicting Liquid Hold up in Horizontal Multiphase F low. SPE, 86910, 2003. 通过采用已经发表的数据作为输入来训练, 发现液体滞留模型优于其他现有关系式, 具有最小的误差和最高的相关系数; 流型识别模型对环空流的识别率为100% , 层状流为97.3% , 段塞流为96. 9% , 波浪流为97. 4%。他指出, 随着输入数据的增多和训练的增加, 模型的准确性也会进一步提高, 并可以把它应用到斜管和垂直管流预测上去。2003 年, H. Shi 等提出用漂移模型来描述井筒多相流, 并于2004 年用15cm 的倾斜管多相流数据来漂移模型的参数。 H. Shi et al. D rift - F lux Modeling of Multiphase Flow in Wellbors. SPE, 84228, 2003通过试验有如下结论: 为气- 水、油- 水系统准备的数据最好用一个包含各套、各个角度的统一方法来确定; 气- 水系统的数据可以用到三相流中预测气体滞留; 对于角度大于70的井筒, 当气体滞留比较小(0.1 左右) 时, 油水之间的滑移可以忽略, 三相流可以处理成两相流;对于近水平流, 虽然随着气体的析出, 对油水之间的滑移影响逐渐减小, 但是滑移仍然是很大的, 他们引入一个气体滞留与角度的函数a3 来描述油水滑移,从而把两相流和三相流成功地整合成一个统一的模型, 计算结果也优于单一模型。对于水平井筒气液两相流, 国内的张琪、吴宁等作了较多的工作, 先后提出了水平井筒变质量流型转变模型 吴宁, 张琪, 蔡中庆, 赵景生, 陈超. 水平井筒气液两相变质量流动流型转变的研究. 石油学报, 2001, 22(5) : 79 84.、分散泡流压降模型 吴宁, 张琪, 周生田, 赵庆辉. 水平井筒变质量分散泡状流压降模型. 中国学术期刊文摘, 2000, 6 (11) : 113 1134.、环空雾状流模型 吴宁, 宿淑春, 葛铁辉, 宋国光. 水平变质量气液两相环空雾状流压降的分析模型. 河南石油, 2001, 15(2) : 35 37.、分层流压降模型 吴宁, 张琪, 周生田, 李明忠. 水平井筒变质量分层流压降模型. 中国学术期刊文摘, 2001, 7 (1) : 105 107.以及间歇流模型 吴宁, 李晓明, 张琪. 水平井筒变质量间歇流压降的理论与试验研究. 石油钻采工艺, 2004, 26 (1) : 43 46.。根据经验公式和理论推导得到各组份的速度、密度、应力等进而代入由质量守恒、动量守恒以及能量守恒得出的压力梯度公式从而计算得到压力梯度。微尺度下沸腾两相流的研究现状由于空间、信息及生物技术的发展，紧凑式蒸发器以及微尺度下相变传热问题得到众多学者重视。相关研究成果有：Jostein Pettersen J.，Flow vaporization of CO2 in micro-channel tubes，Experimental Thermal and Fluid Science，2004，28（2-3）：111121。在并行25根内径为0.8mm、长为0.5m的细通道中进行了CO2沸腾两相流实验，在蒸汽温度为0-25、质通量为190-570kg /m2 s、热通量为5-20 kW /m2范围内的传热和压降特性，干涸现象对传热的影响较大，尤其是在高质通量和高壁温情况下。干涸现象以核态沸腾为主，当在高质通量下增加雾沫量时，流型以环状流为主。实验得到核态沸腾、强制对流蒸发、干涸起始段以及干涸后模型的传热关联式。Yu等人 Yu W.，France D.M.，Wambsganss M.W.，et al.，Two-phase pressure drop,boilingheat transfer,and critical heat flux to water in a small-diameter horizontal tube，International Journal of Multiphase Flow，2002，28（6）：927941。在内径为2.98mm的单管内进行了水的沸腾传热实验研究，质量流率为50-200 kg /m2 s，入口温度从环境温度至80，压力为200 kPa，实验发现：在壁面过热度低于8时，主要的传热机制为核态沸腾，而在高壁面过热度时，壁温出现脉动，从而进入过渡沸腾区。甘云华、徐进良等人 甘云华，徐进良，周继军，等，微尺度相变传热的关键问题，力学进展，2004，34（3）：399407。对微尺度相变传热进行了较为系统的综述，论述了控制微尺度相变传热的准则数，分析了沸腾起始点、流型、压降、传热系数、不稳定性、临界热流密度六大关键问题，为微蒸发器的设计、制造及运行提供了科学依据和指导。赵鹏飞等人 赵鹏飞，毕勤成，杨朝初，等，微小圆通道内流动沸腾换热特性的研究，工程热物理学报，2005，26（5）：802804。以氟利昂R113为工质，对0.7、1.1和1.4mm的圆形微小通道内的沸腾流动进行了实验研究。拟合了不同管径下强制对流沸腾换热实验关联式，定性分析了沸腾换热系数受质量流速、干度、通道直径的影响：低干度、高质量流速时，无量纲沸腾换热系数随干度的增加而先降低再升高；随着通道直径减小，核态沸腾换热区的干度增大。微重力下沸腾两相流的研究现状在航天技术领域中，微重力作用下的两相流动成为近年来学者关注的焦点。随着人类空间探测与开发活动的发展，空间飞行器尤其是载人航天器将越来越大型化和精密化，其运行环境是微重力气液两相流实验研究的理想环境，如空间站或航天飞机等。相关研究成果有：Ohta等人 Ohta H.，Kawasaki K.，Okada S.，et al.，On the heat transfer mechanisms in microgravity nucleate boiling，1999，24（10）：13251330。利用NASDA TR-1A火箭和DAS MU-300航天器上的核态沸腾实验数据，对微重力下核态沸腾机理进行了研究。研究结果表明：除去高热流密度或低过冷度引起的沸腾烧毁情况，微重力下可以产生稳定的核态沸腾；在高热流密度和低过冷度下，聚合而成的大气泡脱离壁面，换热以核态沸腾占优；与常重力相比，微重力下通常存在换热强化和换热削减两种相反趋势，视蒸发层厚度和蒸干区扩张综合特性而定。Johannes Johannes Straub，Microscale boiling heat transfer under 0g and 1g condition，International Journal of Thermal Sciences，2000，39（4）：490497。在宇宙空间实验装置上进行了以氟里昂R11为工质的微通道沸腾传热实验，并与在地面上重力为1g时的数据进行比较。研究结果表明，在核态沸腾区，电子元件表面热流密度超过900 kW /m2；重力对传响在核态沸腾区不明显，而在过渡沸腾和膜态沸腾区换热能力降低了50%。赵建福等人 赵建福，林海，解京昌，等，微重力条件下气/液两相流压降实验研究，应用基础与工程科学学报，2001，9（4）：373380。利用俄罗斯IL76飞机对微重力条件下方形截面管道内气液两相流压降进行了实验研究，其实验结果与常重力下的两相流压降进行对比表明：均相模型和LMC模型(Lockhart-Martinelli-Chisholm)预测结果和实验数据差异很大；而Friedel模型的预测结果尽管也与实验数据有着明显的差别，但在这些模型中是误差最小的。Yue等人 Yue Ma，Chung J N.，An experimental study of critical heat flux(CHF)in microgravity forced-convection boiling，International Journal of Multiphase Flow，2001，27（10）：17531767。进行了以氟里昂FC-72为工质的常重力和微重力下强迫对流临界热流量（CHF）的实验研究。流动沸腾实验装置包括泵、预热器、试验段、冷凝器、激光摄像仪和数据采集系统。实验参数变化范围：流速为0.035-0.30m /s，雷诺数为50-200，热流密度为200-500 kW /m2，压力为112 kPa。研究结果表明：微重力下CHF和过渡沸腾换热能力比常重力下的低，但随着流速的增加，两者间差别减少。微重力下，强迫对流能强化换热能力。在核态沸腾区，较高流速下微重力比常重力条件能显著提高换热能力；在过渡沸腾区，较高流速下微重力比常重力条件也能显著提高换热能力。旋转状态下沸腾两相流的研究现状在旋转电子机械的热量管理、涡轮发动机的能量支配、海洋条件中动力热工系统以及航空航天飞行器的冷却系统等方面，旋转状态下流体的流动及传热机理亦引起相关学者的关注。Stefan Stefan aus der Wiesche，Heat transfer from a rotating disk in a parallel air crossflow，International Journal of Thermal Sciences，2007，46(8)：745754。通过LES（Large-Eddy-Simulations）方法对静止和旋转圆盘下的水平横向气流的传热特性进行了研究和对比，得出旋转和横流速度变化范围内的传热系数和关联式。通过对圆盘固定-横向气流和圆盘旋转-静止气流两种极限状态下的对比，发现转速和气流雷诺数的临界比与旋转传热增幅相关。仅当高于临界值且为层流雷诺数时，旋转传热量增加。这种现象可通过Landau模型进行描述，它与流动不稳定性造成的周期性涡流直接相关。对于高角速度下，涡流发展为充分湍流，且迅速发生跃迁。Seghir等人 Seghir-Ouali S.，Saury D.，Harmand S.，et al.，Convective heat transfer inside a rotating cylinder with an axial air flow，International Journal of Thermal Sciences，2006，45（12）：11661178。对旋转圆管内轴向气流的对流传热进行了实验研究，并采用反向模型、薄壁假设模型和解析分析三种方法确定了转速为4-800rpm、旋转雷诺数为1.6103-4.7105、空气流率为0-530m3/h、轴向雷诺数为0-3104时的对流传热系数。结果表明，管内壁对流换热取决于转速和气流量：高速旋转时，转速为影响流换热系数的主要因素，热量传递率仅取决于旋转雷诺数；低速旋转时，努塞尔数为旋转和轴向雷诺数的函数。Chiu等人 Chiu Han-Chieh，Jang Jer-Huan，Yan Wei-Mon，Combined mixed convection and radiation heat transfer in rectangular ducts rotating about a parallel axis，International Journal Heat and Mass Transfer，2007，50（21-22）：42294242。设计了矩形管绕与其平行的水平轴均速旋转模型，进而对该模型下的对流-辐射换热进行了数值模拟，通过DuFort-Frankel数值格式求得动量和能量方程的耦合解，并验证对流与辐射换热的相互关系。通过坐标离散的方法进一步求解积分微分辐射换热方程，其解由众多控制参数表示。研究结果表明：旋转作用对方形管的影响要高于矩形管；轴向努塞尔数Nut以辐射换热部分占优，且离心-浮力效应趋于减小；在入口处旋转对Nut的影响受到限制，但在通道外部存在辐射换热效应。另外，轴向努塞尔数Nut随对流-辐射比参数Nc的减小而增大。Song等人 Song F.，Ewing D.，Ching C.Y.，Experimental investigation on the heat transfer characteristics of axial rotating heat pipes，International Journal of Heat and Mass Transfe